При производстве каких пищевых продуктов используются ферменты
Читателей:
172
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.
Источник
Динамическое развитие биотехнологий и научные открытия в области энзимологии сделали ферментные препараты незаменимым элементом многих пищевых технологий. Использование ферментов позволяет повышать скорость технологических процессов, ощутимо увеличивать выход готовой продукции, улучшать ее качество, экономить ценное сырье и снижать количество отходов.
Для получения ферментных препаратов пищевого назначения используются органы и ткани сельскохозяйственных животных, культурные растения, специальные штаммы микроорганизмов (плесневых грибов, бактерий).
Ферментные препараты микробного происхождения получают при культивировании специфических микроорганизмов, способных вырабатывать определенные ферменты. В настоящее время большинство ферментов в промышленности получают, используя бактерии и плесневые грибы в специальных аппаратах биореакторах (ферментерах) в жестко контролируемых условиях. Различают ферментные препараты бактериальные, полученные путем глубинного культивирования бактерий, и грибные, полученные путем поверхностного культивирования микроскопических грибов.
В технологии пищевых продуктов применяются ферментные препараты с амилолитической, протеолитической, липолитической, пектолитической, оксидазной активностью. Они используются в пивоварении, виноделии, хлебопечении, при производстве спирта, фруктовых и овощных соков, дрожжей, сыра, творога, мясо- и рыбопродуктов, белковых гидролизатов, инвертного сиропа, при переработке крахмала.
Современные технологии позволяют расширить сферу применения ферментных препаратов. На сегодняшний день можно насчитать около 15 отраслей пищевой промышленности, где с успехом используют ферменты, причем в каждой отрасли отдельная группа ферментов обеспечивает достижение конкретных целей, позволяющих либо улучшить качество продукта, либо увеличить выход данной продукции или удешевить процесс, а значит, снизить себестоимость продукции.
Производство муки и хлебопечение
Качество хлеба определяется особенностями химического состава муки и активностью ее ферментного комплекса. Получить хлеб хорошего качества можно только в том случае, когда в процессе тестоведения гармонически сочетаются скорости микробиологических процессов и биохимических превращений. Ферментативный гидоолиз высокомолекулярных компонентов сырья (белков и углеводов) в определенной степени способствует интенсификации этих превращений и, в конечном счете, положительно сказывается на качестве хлеба.
Эффективность использования тех или иных ферментных препаратов в хлебопечении в значительной степени зависит от качества муки. Хлебопекарные свойства муки, в особенности качество клейковины и активность собственных ферментов, определяют требования к ферментным препаратам.
Ферменты для хлебопечения используют в виде добавок к муке и в составе разрыхлителей теста для компенсации низких качественных показателей муки, улучшения структуры теста и качественных характеристик готового изделия. В хлебопечении применяют в основном пять ферментных препаратов.
Улучшение клейковинного каркаса: Протеаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза.
Увеличение газоудерживающей способности теста и объёма хлеба: Альфа-амилаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза.
Улучшение цвета, вкуса и аромата: Альфа-амилаза, Липаза.
Улучшение структуры мякиша: Альфа-амилаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза.
Увеличение срока хранения: Альфа-амилаза.
Кондитерское производство
Кондитерские изделия в зависимости от вида сырья и типа технологического процесса подразделяют на две группы: мучные и сахаристые. К мучным изделиям относятся печенье, галеты, крекеры, вафли, пряники, кексы, пирожные, рулеты, торты и т.п.. К сахаристым – какао-порошок, шоколад, конфеты, карамель, мармелад, пастила, ирис, драже, халва и т.п..
При производстве мучных кондитерских изделий с использованием дрожжей, таких как галеты, крекеры, кексы, целесообразно применение комплексных препаратов с преобладанием протеолитического действия, но содержащих в своем составе и альфа-амилазу. Совокупное действие этих ферментов обеспечивают дрожжи сбраживаемыми сахарами и низкомолекулярными азотистыми веществами.
При производстве затяжного печенья с использованием химических разрыхлителей, когда много усилий направляется на расслабление клейковины, на протяжении длительного технологического процесса наряду с механическим воздействием на белки клейковины целесообразно использование протеолитических ферментных препаратов.
Для заварных и сырцовых пряников наибольшее значение имеет протеолиз, но наряду с потребностью в регулируемом расслаблении теста важным является и сохранение свежести (мягкости) продукта. При производстве таких видов изделий целесообразно применение комплексных ферментных препаратов с преобладанием протеолитической активности.
При производстве бисквитного полуфабриката нужны комплексные ферментные препараты с умеренной активностью протеолитических ферментов и невысокой альфа-амилазной (дексгринирующей) способностью. При таком сочетании обеспечивается умеренное расслабление клейковины, способствующее лучшему подъему теста при выпечке и образованию тонкопористой воздушной структуры готовых изделий. Образование декстринов, в свою очередь, способствует сохранению их свежести.
Комплексные ферментные препараты, содержащие протеазы и альфа-амилазу, используются для ускорения и облегчения обработки теста при приготовлении слоеного полуфабриката с целью улучшения его эластичных свойств и предупреждения усадки при выпечке. Применение таких ферментных препаратов при производстве вафель позволяет оптимально снизить вязкость вафельного теста, способствует получению тонких хрустящих вафельных листов.
Для производства отливных помадных корпусов конфет, круглых помадных корпусов и жидких фруктовых начинок, таких как вишневый ликер, в кондитерской промышленности применяется фермент Инвертаза. Применение Инвертазы обусловлено необходимостью получить полумягкую или жидкую консистенцию при высоких концентрациях сахара, предотвращающих брожение. Ускорение или замедление действия инвертазы достигается путем изменения концентрации вносимого препарата, количества воды и температурного режима.
Переработка фруктов, ягод, овощей
Наряду с современным оборудованием и новыми технологическими процессами, при переработке фруктов, ягод и овощей, ферменты позволяют повысить глубину переработки сырья и тем самым уменьшить количество отходов, повышают производительность и рентабельность предприятий. При этом в одних случаях необходимо иметь набор ферментных препаратов, содержащих определенный комплекс ферментов, в других – требуются препараты индивидуальных ферментов.
В соответствии со спецификой плодово-ягодного сырья и целями применения ферментные препараты можно разделить на шесть групп:
1. Ферменты, предназначенные для получения неосветленных соков, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность – Пектиназа.
2. Ферменты, предназначенные для получения осветленных соков, увеличивающие выход, повышающие экстрактивность и обеспечивающие полный гидролиз пектиновых и белковых веществ – Пектиназа, Пектинлиаза, Протеаза кислая.
3. Ферменты, мацерирующие плодово-ягодную ткань, повышающие выход и гомогенность соков с мякотью – Пектинлиаза.
4. Ферменты, предназначенные для получения осветленных плодово-ягодных виноматериалов, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность виноматериалов – Пектиназа, Глюкоамилаза.
5. Ферменты, способствующие предотвращению окислительных процессов и развитию аэробных микроорганизмов в соках, винах, безалкогольных напитках – Глюкозооксидаза.
6. Ферменты, катализирующие инверсию сахарных сиропов при производстве безалкогольных напитков и товарных сиропов – Инвертаза.
Производство спиртных напитков
Крахмал, как основной компонент сухих веществ зернового сырья, из которого и образуется спирт, непосредственно дрожжами не сбраживается. Поэтому его необходимо гидролизовать до сбраживаемых сахаров, для этого требуется применение ферментов, которые осуществляют гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, являются источником азотистого питания для дрожжей и при осахаривании крахмалистого сырья производят частичное разрушение клеточных стенок сырья.
Применяемый издавна зерновой солод, как источник амилолитических ферментов, обеспечивает достаточно глубокое осахаривание и выбраживание, однако скорость осахаривания крахмала при использовании солода остается достаточно низкой, что затрудняет интенсификацию процесса брожения. Применение ферментных препаратов микробного происхождения (Альфа-амилаза, Глюкоамилаза) дает возможность значительно повысить концентрацию необходимых ферментов в среде и обеспечить глубокий гидролиз крахмала за сравнительно короткий период.
Кроме стадии осахаривания ферментные препараты, обладающие сильной разжижающей активностью (Альфа-амилаза), применяются на стадии водно-тепловой обработки сырья с целью смягчить режим разваривания, снизить вязкость замесов и облегчить их дальнейшую транспортировку. Применяя ферментные препараты на стадии приготовления сусла для дрожжегенерации, необходимо обеспечить интенсивный гидролиз белков с целью обогащения ценным азотистым питанием дрожжевого сусла.
Таким образом, для спиртового производства, перерабатывающего крахмалсодержащее сырье, необходимо применение ферментных пре паратов с амилолитическим, протеолитическим и цитолитическим действием.
Пивоварение
При производстве пива по обычной технологической схеме, необходимые ферменты (для подготовки зернового сырья и перевода экстрактивных веществ в растворимое состояние на стадии затирания) образуются в процессе солодоращения.
Основными ферментами, образующимися в процессе солодоращения и имеющими наиболее существенное значение в технологии пивоварения, являются:
1. Амилолитические ферменты, разжижающие и осахаривающие крахмал (Альфа-амилаза бактериальная, Амилоризин, Глюкоамилаза).
2. Протеолитические ферменты, расщепляющие белки ячменя до пептидов различной молекулярной массы и свободных аминокислот (Протеаза).
3. Цитолитические ферменты, гидролизующие некрахмальные полисахариды, растворяющие клеточные стенки эндосперма зерна, благодаря чему облегчается доступ амилаз и протеаз к соответствующим субстратам (Целлюлаза).
Каждый из перечисленных процессов должен пройти с определенной глубиной, чтобы обеспечить нормальное протекание фильтрации затора, брожения сусла, осветление и фильтрацию пива, а также создание определенных физико-химических свойств (ценообразование, прозрачность, стойкость при хранении) и вкусовых качеств готового продукта.
Применение ферментных препаратов микробного происхождения (амилоризин, амилосубтилин, проторизин) с целью замены солода несоложенным ячменем позволяет интенсифицировать процесс, избежать потерь ценных компонентов сырья на дыхание и образование проростка, в целом повысить рентабельность пивоваренного производства.
Переработка мяса и рыбы
В последнее время ферментные препараты все шире используются в переработке мяса и рыбы. Это связано с их способностью продуцировать в тканях мяса и рыбы специфические биологически активные компоненты: органические кислоты, бактериоцины, ферменты, витамины, что способствует улучшению санитарно- микробиологических, органолептических показателей готового продукта, а также позволяет интенсифицировать производственный процесс.
Ферментативные методы позволяют повысить качество мяса, удовлетворить растущие требования потребителей и увеличить степень переработки сырья. Известны два основных направления использования ферментов в мясной промышленности: тендеризация жесткого мяса и реструктурирование свежего низкокачественного мясного сырья и обрези (тримминга) с получением продукта высокого качества.
В мясной индустрии и кулинарии используют в основном ферменты, разлагающие белки (Протеаза, Коллагеназа), а так же ферменты “сшивающие” белки (Трансглутаминаза) в качестве улучшителей текстуры. В последнее время становятся популярными новые направления использования традиционных ферментов в молекулярной кухне. Примерами могут служить окисляющие ферменты для получения продукции с заданной структурой и получение требуемого вкуса и аромата с помощью липаз, глутаминаз, протеаз и пептидаз.
Источник