Размещено на http://www.Allbest.ru/

ФГОУ ВПО

Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт

Роль ферментов в пищевых технологиях

Курбанова М.Г.,

Соболева О.М,

Добрынина Е.О.

Ключевые слова: иммобилизация, биокатализатор, микроорганизмы, искусственный синтез.

Появление пищевых продуктов нового поколения, вырабатываемых с использованием микроорганизмов, - это достижение эффективного технологического воздействия микроорганизмов на основные компоненты различных видов промышленного сырья и обеспечение доставки наиболее ценных для человека микроорганизмов непосредственно с пищей. Основным направлением восполнения необходимых и полезных микроорганизмов является создание ферментированных или биомодифицированных продуктов, безопасных для организма человека. Разработка таких продуктов представляет собой многофакторный конструируемый процесс, значительное место в котором занимает изучение свойств, как самих штаммов, так и готовых продуктов. Достижения современной энзимологии значительно расширили возможности применения ферментов в пищевой промышленности, где их используют практически во всех отраслях (табл. 1).

Таблица 1

Спектр ферментов, используемых в пищевой промышленности

В современных пищевых производствах большую значимость приобретают пробиотические культуры. Разработка объективных критериев оценки пробиотических свойств микроорганизмов, основанных на изучении их физиологических, биохимических и генетических характеристик, создает возможность для технологического использования микроорганизмов в производстве молочных, мясных и других видов продуктов. Вместе с тем, при более тщательном рассмотрении достигнутых научных и технических результатов, отмечается отсутствие фундаментальных исследований, связанных с изучением сохранности биологической активности ценных для промышленного применения микроорганизмов при высоком температурном воздействии, сублимационной сушке многокомпонентных продуктов, иммобилизации клеток. Кроме того, одна из причин изменения жизнедеятельности микроорганизмов и свойств продуктов с их присутствием, заключается в развитии процессов окисления, протекающих в молочном и мясном сырье, особенно при длительном хранении в условиях низких температур. В связи с этим возникает необходимость изучения антиоксидантных свойств микроорганизмов. В сущности, биологическая безопасность пищевых продуктов, изготовленных с использованием молочнокислых микроорганизмов, связана с проявлением биотехнологических свойств микроорганизмов. Как правило, применение молочнокислых микроорганизмов обеспечивает повышение санитарно-гигиенических и улучшение функциональных показателей, способствует приданию специфических свойств продукту. Кроме того, в производстве пищевых продуктов, выработанных с молочнокислыми микроорганизмами, под безопасностью может восприниматься степень опасности различных действий человека и факторов, обусловленных деятельностью микроорганизмов, как для микроорганизмов, так и для самого человека [1].

Биомодификация сырья животного и растительного происхождения молочнокислыми микроорганизмами - важное направление, в котором культуры, обладающие высокой антибактериальной активностью, и препараты на их основе в первую очередь необходимы для снижения в сырье содержания наиболее опасных микроорганизмов. Однако их выбор для этой цели затрудняется из-за недостатка сведений об антагонизме действия молочнокислых микроорганизмов в сырье, содержащем различные пищевые ингредиенты.

Большой интерес представляют и протеолитические ферменты, которые широко применяются в сыродельной отрасли, а также в получении аминокислот с помощью ферментативного гидролиза Протеолитические ферменты синтезируются практически всеми живыми существами. В промышленных целях, как источник протеиназ используются животные ткани, растения и клетки микроорганизмов. Наиболее перспективным источником протеиназ следует признать микроорганизмы по ряду существенных преимуществ, связанных, прежде всего, с неограниченностью источников, возможностью широко варьировать свойства методами селекции и генной инженерии, подбором условий биосинтеза, широким спектром ферментных комплексов и глубиной воздействия на различные субстраты, а также простотой и относительной дешевизной технологии.

Продуценты протеолитических ферментов обнаружены среди самых различных групп микроорганизмов: бактерий (Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas), микромицетов (Aspergillus, Rhizopus, Penicillium), актиномицетов (Streptomyces, Actinomyces). На их основе у нас в стране и за рубежом создано крупнотоннажное производство ферментных препаратов протеолитического действия [2].

Многие широко распространённые микроорганизмы секретируют значительное количество протеолитических биокатализаторов в окружающую среду, что значительно облегчает задачу их выделения и очистки. Возможность управления образованием ферментов за счёт подбора соответствующей питательной среды и условий культивирования позволяет не только увеличить выход протеолитических ферментов, но и получать ферментные препараты с определёнными свойствами.

Значительное внимание, уделяемое изучению протеолитических ферментов микроорганизмов, привело к получению значительного числа препаратов бактериальных и грибных протеиназ в высокоочищенном состоянии.

В настоящее время в номенклатуру и классификацию ферментов внесено большое количество протеолитических ферментов микробного происхождения, которые относятся к различным подклассам. По современной классификации протеолитические ферменты относятся к классу гидролаз и образуют подкласс пептид-гидролаз, или протеаз. Протеазы обычно подразделяются на пептидазы и протеиназы. Однако чёткого разделения по этому признаку нет, так как установлено, что протеиназы (пепсин, трипсин, папаин и другие) гидролизуют пептидные связи не только в белках, но и различных полипептидах. За последние годы значительно изменились представления о протеолитических ферментах.

Практика применения ферментных препаратов показывает, что не все ферменты, обладающие высокой протеолитической активностью, при обработке животноводческой продукции дают должный эффект. При этом имеет большое значение оптимум действия ферментов, природа их активаторов и ингибиторов, специфичность к разрыву пептидных связей при гидролизе животных белков.

Это обусловлено их преимуществами по сравнению с химическими катализаторами: избирательностью и стерео-специфичностью действия, возможностью достижения высоких скоростей превращения субстратов, при относительно мягких условиях технологии, безвредностью для окружающей среды и человека.

В пищевых технологиях используют в основном ферменты, присутствующие в пищевом сырье, которые поступают в организм человека при потреблении свежих фруктов и овощей, орехов, молока, сброженных и консервированных продуктов. В пищевых продуктах ферментов содержится мало - миллиграммы на килограмм продукта. При кулинарной и технологической обработке пищевых продуктов ферменты, как правило, инактивируются.

К активно развивающимся областям энзимологии относится разработка биологических методов модификации ферментов. Особенно многообещающим является направление, получившее название «белковая инженерия». Методы белковой инженерии, основанные на знании зависимости между аминокислотной последовательностью, трехмерной структурой и каталитической активностью ферментов, позволяют успешно модифицировать ферменты для улучшения их технологических свойств [3].

Сегодня 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.

Химическая модификация - наиболее известный вид модификации ферментов [3, 4]. Ее методы должны отвечать следующим требованиям:

· используемые химические реагенты должны быть безвредными (особенно в случаях дальнейшего использования ферментов в пищевых технологиях);

· условия модификации не должны быть жесткими, приводящими к ухудшению свойств ферментов; модифицированные ферменты должны отделяться от реакционной среды относительно простыми и недорогими способами;

· применение модифицированных ферментов должно быть экономически выгодным.

Примером химической модификации служит модификация ферментов в условиях неполярной (не водной) среды. Происходящее при этом снижение активности воды в реакционной системе существенно изменяет свойства ферментов: реакция сдвигается в сторону синтеза; образуются оптически активные продукты; повышается термостабильность фермента и стабильность при хранении; фермент приобретает способность катализировать новые реакции, не протекающие в водной среде (синтез пептидов, алифатических амидов и др.); ферменты проявляют активность в органических растворителях при температуре выше 100⁰С.

С помощью физико-химических методов модификации изменяют силы электростатического взаимодействия, водородные связи и гидрофобные взаимодействия в молекулах белков. Например, широко используемый для изомеризации глюкозы в фруктозу фермент ксилозоизомераза модифицируется в направлении увеличения его термостабильности, снижения значения рН оптимума, изменения предпочтения активирующего катиона металла, изменения субстратной специфичности от ксилозы к глюкозе. Широко используется способ замены определенных аминокислот в структурах молекул ферментов. Путем замены аминокислот в структурах молекул ферментов изменяют также их субстратную специфичность [5]. Изменение соотношения активности к растворимому и нерастворимому субстратам у целлобиогидролаз достигается путем замены внешних остатков ароматических аминокислот, которые захватывают конец молекулы полисахарида и направляют ее внутрь активного центра.

Увеличение стабильности ферментов к температуре и экстремальным значениям рН достигается путем таких замен среди сближенных в его третичной структуре аминокислотных остатков, которые приводят к образованию дополнительных нековалентных гидрофобных связей, солевых мостиков или ковалентных S-S-связей, повышающих общую стабильность глобулы молекулы фермента.

Во многих случаях замены осуществляются на основе сопоставления совершенствуемых структyp с соответствующими строениями аналогов из экстремофильных родственных организмов (термо-, ацидо- и алкалофильных).

Иногда повышение стабильности ферментов достигается введением в его структуру специального термостабилизующего модуля, обнаруженного у некоторых бактерий.

Повышение стабильности ферментов к протеолизу осуществляется либо путем удаления сайтов узнавания протеаз из структуры доменов, либо путем увеличения степени гликозилирования через введение в них аминокислот; служащих сайтами О- или N-гликозилирования.

Модификация ферментов осуществляется также с помощью изменения их модульной структуры путем включения или удаления субстратсвязывающего домена. Например, в результате введения в молекулы гликозилтрансфераз целлюлозосвязывающего домена они приобретают способность «сшивать» оборванные концы молекул в аморфных участках на поверхности целлюлозного волокна. Удаление «ненужных» модулей уменьшает массу молекулы, в результате чего повышается эффективность диффузии фермента в субстрат.

Изменение характера действия и субстратной специфичности ферментов достигается, например, делецией петель, перекрывающих активный центр экзогидролаз, что превращает их в родственные эндогидролазы.

Один из видов биологической модификации - энзиматическая модификация ферментов. Ферменты используют для модификации протеинов уже более 20 лет. В пищевых технологиях ферменты используются для регулирования функционально-технологических и нутритивных свойств белков, а также для регулирования функционально-физиологических свойств пищевых белков [4, 6].

Все шире используются в качестве продуцентов ферментов генетически измененные микроорганизмы. Модификация их генома производится с целью увеличения гиперпродукции продуцируемых этими микроорганизмами ферментов или создания возможности синтеза нехарактерных для данного микроорганизма ферментов.

С целью увеличения гиперпродукции ферментов микроорганизмы подвергают воздействию различных мутагенов (ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, химических агентов), вызывающих как гибельную мутацию у большей части микробной популяции, так и мутации, способствующие увеличению продукции ферментов. Для каждого мутагена и микроорганизма подбирают условия мутагенной обработки, позволяющие увеличить количество выживших мутировавших клеток. Оставшиеся жизнеспособными микробные клетки подвергают скринингу по геномным вариантам, отбирая наиболее активных продуцентов определенных ферментов.

В настоящее время налажено промышленное производство микроорганизмов-продуцентов рекомбинантных ферментов. Например, ген, ответственный за выработку фермента химозина, выделенный из эукариотического организма, внедряют в геном микроорганизмов Escherihia coli, Kluyveromyces lactis или Aspergillus awamori, которые становятся продуцентами данного фермента [4].

Использование микроорганизмов-продуцентов рекомбинантных ферментов имеет ряд преимуществ. Один и тот же микроорганизм может использоваться как продуцент различных ферментных препаратов, что унифицирует технологию их получения. Выход ферментов значительно увеличивается, например выход глюкоамилазы и эндоксиланазы. продуцируемых рекомбинантными штаммами Aspergillus. превышает выход этих ферментов из традиционных штаммов в 10-30 раз.

Рекомбинантные ферменты отличаются высокой чистотой, что имеет особое значение в пищевых технологиях. Например, использование свободных от протеазной активности амилаз в хлебопечении позволяет улучшить реологические свойства теста, поскольку не происходит разрушения структуры белков клейковины. Рекомбинантные ферменты широко применяются в пищевых технологиях (табл. 2).

биологический рекомбинантный фермент пищевой нанотехнология

Таблица 2

Виды рекомбинантных ферментов, применяемых в пищевых технологиях

Однако если в непищевых отраслях промышленности рекомбинантные ферменты применяют без ограничений, то пищевые продукты, полученные с использованием рекомбинантных ферментов, должны быть соответственно маркированы для информирования потребителя.

Кроме как из природных источников, ферменты могут быть получены путем искусственного синтеза. Перспективен синтез ферментов, не имеющих полипептидных структур, но содержащих аналоги активных центров существующих ферментов. Созданы ферменты, содержащие синтетические полимеры циклодекстринов и металлопроизводных стероидов, являющиеся матриксом, в котором дополнительные реакционные группы ориентированы как активные центры ферментов.

Поскольку синтетические ферменты не содержат аминокислотных остатков, они менее подвершены действию таких факторов, как температура, рН, ионная сила, чем природные ферменты, для конформационной стабильности и биологических функций которых данные факторы являются лимитирующими [6, 7]. Эти свойства синтетических ферментов расширяют возможности ферментативных технологий, в том числе и в пищевой промышленности.

Список использованной литературы

1. Гаврилова, Н.Б. Биотехнологические основы производства комбинированных кисломолочных продуктов: дис. … д-ра техн. наук. - Кемерово, 1996. - 390 с.

2. Круглик, В.И. Теория и практика реализации технологий специализированных продуктов на основе ферментативных гидролизатов молочных белков / В.И. Круглик.- М.: Университеты России, 2007. - 220 с.

3. Law, B.A. Manipulation of enzymes for industrial application: Protein and environmental engineering // Industrial Enzymology 2nd ed. Basingstoke: Macmillan Press and New York: Stockton Press, 1996.

4. Stehle, P. Papain-catalyzed synthesis of dipeptides: A nivel approach using free amino acids as nucleophiles // Enzyme Microb. Technol. 1990. Vol. 12.

5. Скурихин И.М. Все о пище с точки зрения химика / И.М. Скурихин, А.П. Нечаев. - М.: Высшая школа, 1991. - 288 с.

6. Пищевая биотехнология / В.Н. Голубев, И.Н Жиганов. - М.: ДеЛиПринт, 2001. - 123 с.

7. Теория и практика иммуноферментного анализа / А.М. Егорова, А.П. Осипов, Б.Б. Дзантиев и [др.] - М.: Высшая школа, 1991.- 288 с.

Размещено на Allbest.ru