Ферменты и их использование

Ферменты - биологические катализаторы белковой природы, которые значительно повышают скорость химических реакции, не расходуясь и не претерпевая необратимых изменений.

В настоящее время многие отрасли промышленности - хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство спирта, сыроделие, производство органических кислот, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков - основаны на использовании различных ферментативных процессов (элементы биотехнологии).

Современная классификация ферментов разработана специальной Комиссией Международного Биохимического Союза и изложена в книге «Номенклатура ферментов» (1979 г.).

По типу катализируемой реакции ферменты делятся на 6 классов:

1- Й класс - оксиредуктазы - ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (присоединение 02, отнятие и перенос Н2, перенос электронов);

2- Й класс - трансферазы - ферменты, катализирующие перенос целых атомных группировок с одного соединения на другое (остатков моносахаридов, аминокислот, фосфорной кислоты, метильных, аминных групп и др.);

3- Й класс - гидролазы - ферменты, катализирующие реакции гидролиза или расщепления сложных органических соединений на более простые с участием воды;

4- Й класс - лиазы - ферменты, катализирующие реакции негидролитического отщепления каких-либо групп от субстрата с образованием двойной связи или присоединение группировок по месту разрыва двойной связи (отщепление Н20, С02, ЫН3 и т. д.);

5- Й класс - изомеразы - ферменты, катализирующие реакции изомеризации, то есть внутримолекулярного переноса химических группировок и образование изомерных форм органических соединений;

6- Й класс - лигазы (синтетазы) - ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряженные с разрывом высокоэнергетической связи АТФ и других нуклеозидтрифосфатов.

Каждому ферменту присвоен четырехзначный шифр (код): первое число обозначает класс ферментов, второе - подкласс, третье - подподкласс, четвертое - порядковый номер фермента в подклассе.

Например: алкогольдегидрогенидаза имеет код Н. Ф. 1.1.1.1. - класс оксиредуктаз, подкласс дегидрогеназ (действует на СН-ОН группу доноров), подподкласс анаэробные дегидрогеназы (акцептором служит НАД+ или НАДФ+.

Альфа - амилаза: код Н. Ф. 3.2.1.1. - класс гидролаз, подкласс карбогидраз, подподкласс полиаз.

К классу оксидоредуктаз относятся такие ферменты, как полифенолоксидаза - вызывающая потемнение срезов картофеля, яблок, грибов и других растительных продуктов с образованием меланинов при окислении аминокислоты тирозина. Этот процесс в пищевой промышленности предотвращается тепловой инактивацией (бланшировкой) и использованием ингибиторов (NaHSO3, SO2, NaCl); положительную роль выполняет при ферментации чая.

Каталаза катализирует разложение пероксида водорода до кислорода и молекулы воды. Используется в сыроделии для удаления избытка H2O2 (перекись водорода) при обработке молока.

Пероксидаза катализирует расщепление перекиси водорода до молекулы воды и соединения, имеющего общую формулу ОН2. Наиболее активная пероксидаза выделена из корней хрена и горькой редьки. Имеются доказательства иммуностимулирующей роли и антиканцерогенного эффекта данного фермента.

Липоксигеназа катализирует окисление полиненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот (линолевой и линоленовой) кислородом воздуха с образованием гидроперекисей. Содержится в семенах сои, пшеницы, других злаковых культур и высвобождается при их технологической обработке. Этому ферменту принадлежит важная роль в процессах созревания пшеничной муки и формирования хлебопекарных качеств (осветвление муки, укрепление клейковины, образование пигментов и др.) при строго дозированном использовании.

Глюкозооксидаза (фермент, получаемый из плесневых грибков Aspergilus и Pénicillium, окисляет глюкозу) применяется в пищевой промышленности для удаления остатков глюкозы и кислорода (при получении яичного порошка - предотвращение реакции Майярда - пигментообразования; при производстве продуктов, в которых даже небольшое присутствие кислорода приводит к органолептическим изменениям продукта - пиво, вино, фруктовые соки, майонез).

В пищевой промышленности применяются ферменты класса гидролаз следующих подклассов: эстеразы (липаза), гликозидазы, протеазы.

Липазы растительного, животного и микробного происхождения катализируют реакцию расщепления триглицеридов до глицерина и жирных кислот.

Зерновая липаза участвует в процессе порчи зерновых культур с повышенным содержанием жира.

Пектинэстеразы синтезируются высшими растениями, микроскопическими грибками, дрожжами (Aspergillus niger), бактериями и катализируют гидролиз сложных эфирных связей в молекуле растворимого пектина до метилового спирта и полигалактоуроновой кислоты, что снижает желирующую способность пектина. Применяется для осветления плодовых соков и вин.

Гликозидолазы осуществляют гидролиз олигои полисахаридов.

А-амилаза содержится в слюне и секрете поджелудочной железы животных, в растениях (проросшее зерно пшеницы, ржи, ячменя, проса и др.). А-амилазы созревания и а-амилазы прорастания, вырабатываются плесневыми грибками и бактериями. Все эти ферменты гидролизуют альфа-1,4-связи внутри молекул крахмала, гликогена и других полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы.

В-амилаза (фермент растительного происхождения) отщепляет мальтозу от нередуцирующего конца цепи, разрывая гликозидные связи через одну.

Глюкоамилаза (у-амилаза) продуцируется плесневыми грибками, расщепляет как амилозу, так и амилопектин до глюкозы (гидролиз а-1,4 и а-1,6 связи).

Инулаза осуществляет гидролиз инулина и других полифруктоназ.

Бета-фруктофуранозидаза (инвертаза, сахараза) — ускоряют гидролиз сахарозы до а-глюкозы и ß-фруктозы.

ß-галактозидаза или лактаза катализирует реакцию гидролиза лактозы - молочного сахара.

Эндо - и экзополигалактуроназы участвуют в превращениях пектиновых веществ наряду с другими пектолитическими ферментами растительного и микробного происхождения. Для промышленного производства ферментных препаратов пектолитических ферментов в качестве продуцентов в основном используют микроскопические (плесневые) грибы рода Aspergillus. Пектолитические ферменты применяют при производстве фруктовых соковых концентратов и экстрактов, при осветлении соков, вин, при производстве фруктовых и овощных пюре и нектаров.

Целлюлозолитические ферменты катализируют ферментативное расщепление целлюлозы и родственных полисахаридов (гемицеллюлозы, лигнина), продуцентами являются грибки рода Trichoderma, Fusarium, Sporotrichum, бактерии рода Clostridium, Cellulomonas и др.

Протеолитические ферменты (Н. Ф. 3.4.) - катализируют гидролиз пептидной связи в молекулах белков и пептидов. В перерабатывающей промышленности используются растительные протеазы - папаин и химопапаин (плоды дынного дерева); фицин и бромеалин (млечный сок инжира и свежий сок ананаса. Область применения: кожевенная промышленность (при обезволаживании и мягчении шкурок), парфюмерии (для создания добавок в кремы, лосьоны, зубные пасты); производстве синтетических моющих средств (для удаления загрязнений белковой природы); пищевая промышленность (виноделие, пивоварение, производство спирта, хлебопечение, сыроделие). Протеазы семян растений злаковых и бобовых культур, участвующих при прорастании семян в расщеплении запасных белков до аминокислот, используются для улучшения хлебопекарных качеств муки.

Протеазы животного происхождения трипсин, химотрипсин применяются для производства гидролизатов, пепсин и реннин входят в состав сычужного фермента и используются для свертывания казеина молока и для растворения белковой мути в пиве.

Микробные протеазы (грибные и бактериальные) также имеют широкое применение: - сериновая протеаза (Bacillus licheniformis) используется при производстве СМС; протеаза грибков Mucor pusillus и Mucor mieher в производстве сыра, грибная протеаза Aspergillus oryzae в хлебопечении.

В хлебопекарной промышленности широко используется амилоризин П10Х (протеаза и альфа - амилаза грибка Aspergillus oryzae) при обязательном контроле развития возбудителей картофельной болезни хлеба (Bac. mesentericus и subtilis, проявляющийся тягучим мякишем и появлением специфического неприятного запаха и вкуса ( норматив не более 105 в 1 г муки).

При газообразовании только за счет собственных сахаров максимум выделения окиси углерода приходится на первые 1-2 часа брожения, а в процессе хлебопечения газообразование должно оставаться достаточно высоким и на последней стадии (расслойка и первые 10-15 минут выпечки). Для этой цели используются амилолитические ферменты.

Ферментные препараты амилаз применяются также в получении паток и глюкозы (ферментативный гидролиз крахмала), в производстве спиртных напитков, пивоварении.

КОРОТКО О ГЛАВНОМ

1. Белок необходим для роста и развития, обновления тела, для образования ферментов, гормонов и других химических компонентов, регулирующих рост и обмен веществ в организме. Белки являются источниками аминокислот для образования собственных белков организма.

2.Белок пищи состоит из 20 различных аминокислот, содержащих в своем составе азот в виде аминогруппы NH2. Девять аминокислот не могут образоваться в организме человека, поэтому должны обязательно поступать с пищей (незаменимые аминокислоты). Другие 11 - заменимые аминокислоты, также могут поступать с пищей либо синтезироваться в организме из незаменимых при достаточном количестве последних.

3. Потребность в белке взрослого человека составляет примерно 1 г/кг массы тела, потребление его в количестве более 2 г/кг массы считается вредным для здоровья. Избыток белка так же нежелателен, как и его недостаток.

4. Белок должен обеспечивать 10-15% общей калорийности рациона. При потреблении достаточного количества разнообразной традиционной пищи белковой недостаточности не возникает.

5.Белком богаты мясо животных, молоко, рыба, птица, яйца, хлебобулочные изделия и продукты из зерна (крупа, макароны), бобы, семена, орехи.