АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Лекция 8

Модульная единица 6. Ферменты

Рассматриваемые вопросы

1. Окислительно-восстановительные ферменты

2. Ферментные препараты

2.1. Растительные ферменты

2.2. Микробные ферменты

2.2.1. Продуценты и их культивирование

2.2.2. Получение ферментных препаратов

3. Применение ферментов в пищевых технологиях

3.1. Спиртные напитки и пивоварение

3.2. Производство крахмала и крахмалопродуктов

3.3. Хлебопечение

3.4. Производство плодово-ягодных соков, безалкогольных напитков и вин

3.5. Кондитерское производство

Окислительно-восстановительные ферменты

В процессах переработки растительного сырья наряду с гидролитическими используются реакции, катализируемые оксидоредуктазами, трансферазами, лиазами и изомеразами.

Негидролитические ферменты используются на различных стадиях технологии пищевых продуктов.

Препараты оксидоредуктаз применяются преимущественно на заключительных стадиях переработки растительных субстратов с целью сохранения пищевых и вкусовых достоинств пищевых продуктов или модификации органолептических свойств.

Следует помнить, что представители всех классов ферментов в тех или иных количествах присутствуют в перерабатываемом растительном сырье, и ферментативная активность сырья неизбежно влияет на ход технологических процессов переработки. Это влияние может быть как полезным, так и вредным. Во втором случае необходимо регулировать ферментативную активность в сырье путем его предварительной обработки или введения технологически допустимых компонентов. Примерами нежелательных реакций являются окислительные превращения органических соединений в растительном сырье, такие как потемнение измельченных овощей и фруктов под действием тирозиназы и дифенолоксидазы, а также прогоркание жиров, провоцируемое липоксигеназой.

Каталаза универсальный фермент органического мира, участвующий в заключительных стадиях процесса окисления. Под действием каталазы происходит расщепление перекиси водорода на воду и кислород:

2H₂O₂ O₂ + 2H₂O

Таким образом фермент окисляет одну молекулу перекиси водорода до кислорода с одновременным восстановлением другой молекулы перекиси водорода до Н₂О.

Фермент способен также катализировать окисление спиртов в альдегиды, сопряженное с разложением перекиси водорода:

Каталаза + Н₂О₂ Каталаза·Н₂О₂

Каталаза·Н₂О₂ + С₂Н₅ОН Каталаза +2Н₂О + СН₃СНО

этанол Уксусный альдегид

Такой тип реакции характерен для сред с низким содержанием перекиси водорода.

Каталаза – геминовый фермент, содержащий тетрапиррольное кольцо. В молекулу входит четыре атома трехвалентного железа. Молекулярная масса фермента 240 – 300 кДа, в зависимости от источника выделения. Для каталазы характерна субъединичная структура, фермент может существовать в виде тетрамера и гексамера.

Фермент ингибируется цианидом (обратимо), фенолами (обратимо лишь в слабой форме), щелочью и мочевиной (необратимо). Функцией каталазы в живом организме является защита клетки от губительного действия перекиси водорода.

В пищевой промышленности используются препараты каталазы микробного происхождения, выделяемые из грибов пенициллов. Каталаза Pen. Vitale имеет широкий рН-оптимум – от 4 до 9, стабильна при температуре до 65⁰С.

Каталаза находит свое применение в пищевой промышленности при удалении избытка Н₂О₂ при обработке молока в сыроделии, где последняя используется в качестве консерванта; а также совместно с глюкозооксидазой применяется для удаления кислорода и следов глюкозы.

Глюкооксидаза. Фермент представляет собой флавопротеид, в котором белок соединен с двумя молекулами ФАД. Он окисляет глюкозу с образованием в конечном счете глюконовой кислоты и обладает практически абсолютной специфичностью по отношению к глюкозе. Суммарное уравнение имеет следующий вид:

Глюкоза + Н₂О + О₂ = глюконовая кислота + Н₂О₂

Представленный выше процесс на самом деле протекает в две стадии:

1-я стадия:

2-я стадия:

В пищевой технологии глюкозооксидазу используют совместно с каталазой, поскольку необходимо разлагать перекись водорода, образующуюся на первой, ферментативной стадии окисления глюкозы глюкозооксилазой. Общий баланс процессов, протекающих под действием двух ферментов, выглядит так:

2 Глюкоза +2О₂ + 2Н₂О 2 Глюконовая к-та + 2Н₂О₂

2H₂O₂ O₂ + 2H₂O

2 Глюкоза + О₂ 2 Глюконовая кислота

Промышленные препараты глюкозооксидазы выделяют из культур микроскопических грибов. Активные продуценты внеклеточной глюкозооксидазы – грибы р.р. Penicillium и Talaromices, наиболее перспективны P. Vitale, P. Amagasakiense и P. Funiculosum. Фермент из P. Vitale имеет молекулярную массу 150 кДа, оптимальный рН 5,6–5,8, стабилен в зоне рН 3–7, при температуре до 50⁰С. Ингибиторы – ионы ртути и меди, стабилизаторы – ионы кальция и аммония.

Учитывая сопряженность действия глюкозооксидазы и каталазы, эти ферментывыделяют не только как инливилуальные, но и в виде комплексных препаратов Грибы пенициллы и аспергиллы обладают способностью продуцировать значительные количества обоих ферментов.

Пероксидаза катализирует окисление органических соединений с помощью перекиси водорода и органических перекисей, например, образующихся из ненасыщенных жирных кислот, каротиноидов. Фермент переносит кислород от молекулы субстрата к перекиси. Субстратами пероксидазы служат различные соединения – фенолы (пирокатехин пирогаллол, гидрохинон, резорцин, гваякол), ароматические кислоты (бензойная. салициловая, галловая), аскорбиновая кислота, анилин, толуидин. нитриты и другие соединения. Фермент обладает не только пероксидазными, но и оксилазными свойствами, то есть окис­ляет органические соединения за счет неактивированного молекулярного кислорода.

Большинство субстратов пероксидазы – фенолы. Под действием фермента они окисляются до хинонов, которые сами по себе являются сильными окислителями. Хиноны склонны к полимеризации, в результате образуются темноокрашенные соединения.

Пероксидаза присутствует в каждой растительной клетке. Этот фермент участвует в циклах фотосинтеза и дыхания, играет существенную роль в защите растений от инфекционных заболеваний. Наблюдается положительная корреляция между степенью повреждения растения, концентрацией фенолов и активностью пероксидазы. Поэтому при переработке инфицированного растительного сырья уровень окислительных процессов в целом выше, чем при переработке интактного, неповрежденного материала.

Пероксидаза – двухкомпонентный фермент, состоящий из белка гликопротеина и геминового компонента, который включает протопорфирин IX и ион трехвалентного железа. Геминовый компонент выполняет роль активного центра. Фермент из различных источников имеет молекулярную массу от 22 до 44 кДа, белковая часть на 43% спирализована.

Пероксидаза представлена в растениях набором изоферментов, число их у одного вида может составлять от 3 до 42. Из разных видов табака выделили 33 изофермента пероксидазы. Наличие изоферментов расширяет границы функционирования пероксидазы, она проявляет активность в зоне рН 3–14. При изменении внешних условий и гомеостаза растения изменяется изоферментный состав пероксидазы, что является приспособительным механизмом.

Регуляция действия пероксидазы осуществляется с помощью ионов металлов – марганца, цинка, меди, кальция и др. Их присутствие влияет на соотношение собственно пероксидазной, оксидазной и оксигеназной активности. Ингибиторами пероксидазы являются цианиды и хелаты. С помощью хелатов, таких как ЭДТА, лимонная кислота и ее соли, можно предотвратить окислительные реакции, происходящие в растительном сырье под действием пероксидазы.

о-Дифенолоксидаза (прежнее название - полифенолоксидаза), катализирует окисление дифенолов, полифенола, монофенолов, дубильных веществ с помощью кислорода воздуха. Наименее устойчивы к окислению о-дифенолы, у которых гидроксильные группы расположены при соседних углеродных атомах:

Дифенолоксидаза – универсальный растительный фермент, присутствующий во всех органах и тканях. Субстратная специфичность дифенолоксидазы зависит от источника выделения фермента. Она различна у изоформ, выделенных из одного растения.

о-дифенолоксидаза – медьсодержащий фермент. Ингибиторы фермента – синильная кислота, азид натрия, сероуглерод, окись углерода, диэтилдитиокарбамат, хелаты. Для проявления активности оптимален рН 5–7.

Под действием дифенолоксидазы растительные фенолы окисляются в хиноны, которые, конденсируясь, превращаются в меланины. Конденсация хинонов протекает по свободнорадикальному механизму. Цвет меланинов зависит от их молекулярной массы. Чем крупнее молекула, тем темнее окраска, по мере увеличения молекулярной массы цвет меняется от розового до черного. Окисление фенолов под действием под действием дифенолоксидазы и тирозиназы (тирозин-2-монооксигеназы) лежит в основе потемнения овощей и фруктов, при чистке, измельчении, сушке. Потемнение чайного листа в процессе ферментации также связано с окислением дубильных веществ в присутствии дифенолоксидазы и кислорода.

В практике для борьбы с окислительным потемнением перерабатываемых овощей и фруктов используют различные способы, в основе которых лежит инактивация дифенолоксидазы или разобщение фермента с кислородом. Для инактивации используют обработку паром или горячей водой (бланширование), а также подкисление: при рН ниже 3 фермент нестабилен.

Применение восстанавливающих агентов, таких как аскор­биновая кислота, сернистый газ и бисульфит натрия, приостанавливает потемнение продуктов: в присутствии этих агентов происходит восста­новление о-хинонов в фенолы и подавляется процесс конденсации хинонов. Введение восстановительных агентов в начальный момент контакта растительного сырья с кислородом можно рассматривать как разобщение фермента с кислородом, который связывают восстановители.

Хорошие результаты дает выдерживание материала, прошедшего механическую обработку (очистку, резку), в слабых растворах лимон­ной кислоты. Лимонная кислота обладает хелатным действием, она свя­зывает каталитически активные ионы меди, что приводит к подавлению активности дифенолоксидазы. Своевременное погружение растительно­го материала в воду (а еще лучше – в слегка подсоленную воду) также достаточно эффективно. Процессы окисления развиваются во времени, и если материал тотчас залить водой, разобщив тем самым с кислоро­дом воздуха, можно предотвратить потемнение.

Липоксигеназа катализирует окисление полинена­сыщенных жирных кислот (линолевой, линоленовой, арахидоновой), и их эфиров. Окисле­ние происходит за счет молекулярного кислорода. Ненасыщенные жирные кислоты превращаются в гидроперекиси, при этом изменяется положении двойной связи:

Возможно образование и циклических перекисей по следующей схеме:

Однако основное количество жирных кислот превращаются в гидро­перекиси, обладающие сильными окислительными свойствами, и имен­но на этом основано использование липоксигеназы в пищевой промыш­ленности.

Гидроперекиси жирных кислот – активные окислительные агенты, способные окислять ненасыщенные жирные кислоты, каротиноиды, хлорофилл, аминокислоты, аскорбиновую кислоту. Таким образом, дей­ствие липоксигеназы инициирует целый ряд различных окислительных реакций в растительном сырье.

Высокая липоксигеназная активность найдена в покоящихся семе­нах бобовых и льна, в зародышах злаков. В семенах подсолнечника, рапса, конопли, ореха активность фермента невелика, она возрастает при прорастании семян.

Липоксигеназа – железосодержащийглобулин. Молекулярная масса растительных липоксигеназлежит в пределах 67–108 кДа, оптимальный рН 6,2 –7,5, температура 20–40⁰ С.

Самым богатым источником фермента является мука соевых бобов. Липоксигеназа, полученная в кристаллическом состоянии из семян сои, имеет молекулярную 102 000 Да, изоэлектрическую точку 5,4.

В зерне пшеницы активность липоксигеназы колеблется в значительных пределах и является сортовым признаком. Кроме того, активность липоксигеназы связана с показателем жизнеспособности зерна. Она закономерно снижается со снижением всхожести зерна и может быть биохимическим тестом жизнеспособности семян. Значительная часть липоксигеназы пшеницы прочно связана с клейковинными белками и освобождается при обработке клейковинного комплекса раствором восстановленного глутатиона.

Липоксигеназе принадлежит важная роль в процессах созревания пшеничной муки, связанных с улучшением ее хлебопекарных достоинств, образующиеся под действием фермента продукты окисления жирных кислот способны вызывать сопряженное окисление ряда других компонентов муки (пигментов, SH-групп клейковинных белков, ферментов и др.). При этом происходит осветление муки, укрепление клейковины, снижение активности протеолитических ферментов и другие положительные изменения.

Образование гидроперекисей жирных кислот – начальная стадия их деградации, в процессе которой образуются летучие вещества, создающие характерный запах прогоркающих масел, муки, круп при их длительном хранении.

Для предотвращения отрицательных последствий действия липоксигеназы в хранящихся продуктах предпринимают различные меры. Во избежание прогоркания муки при помоле зерна отделяют фракцию за­родышей – наиболее богатую липоксигеназой часть зерна. При расфа­совке растительных масел и жиросодержащих продуктов по возможно­сти исключают попадание кислорода или используют специальные упа­ковочные материалы, на которые нанесен фермент глюкозоксидаза, ее субстрат глюкоза и буферные соли (система, поглощающая кислород в реакции окисления глюкозы в глюконовую кислоту).

Широкое применение нашли различные антиоксиданты – токофе­ролы, каротиноиды, янтарная и фумаровая кислоты, флавоноиды (морин, кемпферол, мирицетин, кверцетин, дегидрокверцетин и др.), аскор­биновая кислота, растительные экстракты, содержащие комплекс раз­личных антиоксидантов.

Дата добавления: 2015-08-06 | Просмотры: 791 | Нарушение авторских прав