Роль ферментов в пищевых технологиях Химия 36 pag. Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Самарский государственный технический университет (ФГБОУ ВО «СамГТУ») Факультет ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ Кафедра «ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ И БИОТЕХНОЛОГИЯ» КУРСОВАЯ РАБОТА «Пищевая химия» по дисциплине на тему «Роль ферментов в пищевых технологиях» Принял к исполнению Научный руководитель студент 2-ПП-2 доцент, к.х.н. Г.А. Гнездилов Г.С. Муковнина « » 2020 г. « » 2020 г. Самара 2020 г. 1 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) СОДЕРЖАНИЕ Введение ............................................................................................................................... 3 1. Классификация и номенклатура ферментов .................................................................. 6 1.1 Роль ферментов и ферментных препаратов ................................................................ 7 2. Ферменты молока........................................................................................................... 11 3. Роль ферментов в хлебопечении и мукомольном производстве ................................ 16 3.1.1. Амилолитические ферменты .................................................................................. 17 3.1.2. Протеолитические ферменты.................................................................................. 20 3.1.3. Цитолитические ферменты ..................................................................................... 21 3.1.4. Липолитические ферменты ..................................................................................... 22 3.1.5. Окислительно-восстановительные ферменты ....................................................... 23 3.2. Применение ферментов в кондитерском производстве ........................................... 24 4. Ферменты в производстве алкогольной и безалкогольной продукции ..................... 27 4.1. Ферменты в производстве спирта.............................................................................. 27 4.2. Применение ферментов в пивоваренной промышленности ................................... 30 4.3. Применение ферментов в производстве плодово-ягодных соков, безалкогольных напитков и вин ............................................................................................................................. 32 Заключение ......................................................................................................................... 36 Список использованной литературы ................................................................................ 37 2 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Введение Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы белковой природы, способные во много раз ускорять химические реакции, протекающие в животном и растительном мире. Человечество использует ферменты для приготовления продуктов питания с незапамятных времен. Эмпирическим путем люди выяснили, что существуют природные субстраты, при внесении их в тот или иной вид сырья вызывающие в нем желательные изменения. Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения. В кон. ХVIII – нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен. В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришёл к выводу, что этот процесс катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках [1]. Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха – с другой, о природе спиртового брожения. Собственно ферментами (от лат. fermentum – закваска) называли «организованные ферменты» (т.е. сами живые микроорганизмы), а термин энзим предложен в 1876 г. В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 г. Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 г. за эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 г. Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено еще несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана [2]. Такие биохимические процессы, протекающие при участии ферментов, имеют большое практическое значение, так как лежат в основе технологий получения сыра, хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков. Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, плодов, овощей, жира, жиросодержащих продуктов и других). С исследованиями характера протекания биохимических процессов в пищевом сырье можно установить особенности процесса, определить дефекты данной партии сырья, наметить наиболее правильный режим технологического процесса. Современные классификация и номенклатура ферментов были разработаны Комиссией по ферментам Международного биохимического союза и утверждены на V 3 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Международном биохимическом конгрессе в 1961 г. в Москве [1]. Необходимость стремительным систематики ростом числа номенклатуры вновь открываемых диктовалась, прежде всего, ферментов, которым разные исследователи присваивали названия по своему усмотрению. Более того, одному и тому же ферменту часто давали два или несколько названий, что вносило путаницу в номенклатуру. Некоторые названия ферментов вообще не отражали тип катализируемой реакции, а при наименовании фермента исходили из названия субстрата, на который действует фермент, с добавлением окончания -аза: в частности, амилазы (ферменты, гидролизующие углеводы), липазы (действующие на липиды), протеиназы (гидролизующие белки) и т.д. До 1961 г. не было ни единой классификации ферментов. Трудности заключались в том, что разные исследователи за основу классификации ферментов брали различные принципы. Комиссией были рассмотрены 3 принципа, которые могли служить основой для классификации ферментов и их обозначения. Первый принцип – химическая природа фермента, т.е. принадлежность к флавопротеинам, пиридоксальфосфатпротеинам, гемопротеинам, металлопротеинам и т. д. Однако этот принцип не мог служить общей основой для классификации, так как только для небольшого числа ферментов известны простетические группы, доступные идентификации и прямому определению. Второй принцип – химическая природа субстрата, на который действует фермент. По этому принципу трудно классифицировать фермент, так как в качестве субстрата могут служить разнообразные соединения внутри определенного класса веществ (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты) и бесчисленное множество промежуточных продуктов обмена. В основу принятой классификации положен третий принцип – тип катализируемой реакции, который является специфичным для действия любого фермента. Этот принцип логично использовать в качестве основы для классификации и номенклатуры ферментов [3]. Достижения современной энзимологии значительно расширили возможности применения ферментов, особенно в медицине и пищевой промышленности, где их используют практически во всех отраслях. Это обусловлено их преимуществами по сравнению с химическими катализаторами: избирательностью и стереоспецифичностью действия, возможностью достижения высоких скоростей превращения субстратов при относительно мягких условиях технологии, безвредностью для окружающей среды и человека. Каждый фермент имеет определенную функцию в организме, которую другие ферменты выполнить неспособны. Ферменты настолько специфичны, что они могут вступать в реакцию только в определенных субстанциях. В связи с изложенным выше, темой курсовой работы является «Роль ферментов в 4 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) пищевых технологиях». 1. Классификация и номенклатура ферментов Тип катализируемой химической реакции в сочетании с названием субстрата (субстратов) служит основой для систематического наименования ферментов. Согласно 5 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Международной классификации, ферменты делят на шесть главных классов, в каждом из которых несколько подклассов [2]: • оксидоредуктазы; • трансферазы; • гидролазы; • лиазы; • изомеразы; • лигазы (синтетазы). Оксидоредуктазы К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катализирующие с участием двух субстратов окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления. Систематические названия их составляют по форме «донор: акцептор оксидоредуктаза». Различают следующие основные оксидоредуктазы: аэробные дегидрогеназы или оксидазы, катализирующие перенос протонов (электронов) непосредственно на кислород; анаэробные дегидрогеназы, ускоряющие перенос протонов (электронов) на промежуточный субстрат, но не на кислород; цитохромы, катализирующие перенос только электронов. К этому классу относят также гемсодержащие ферменты каталазу и пероксидазу, катализирующие реакции с участием пероксида водорода. Трансферазы К классу трансфераз относят ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных атомов, групп атомов и радикалов. Наименование их составляют по форме «донор: транспортируемая группа – трансфераза». Различают трансферазы, катализирующие перенос одноуглеродных остатков, ацильных, гликозильных, альдегидных или кетонных, нуклеотидных остатков, азотистых групп, остатков фосфорной и серной кислот и др. Например: метил- и формилтрансферазы, ацетилтрансферазы, амино-трансферазы, фосфотрансферазы и др. Гидролазы В класс гидролаз входит большая группа ферментов, катализирующих расщепление внутримолекулярных связей органических веществ при участии молекулы воды. Наименование их составляют по форме «субстрат-гидролаза». К ним относят: эстеразы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза и синтеза сложных эфиров; гликозидазы, ускоряющие разрыв гликозидных связей; фосфатазы и пептидгидролазы, катализирующие гидролиз фосфоангидридных и пептидных связей; амилазы, ускоряющие разрыв амидных связей, отличных от пептидных, и др. Лиазы 6 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) К классу лиаз относят ферменты, катализирующие разрыв связей С—О, С—С, С—N и других, а также обратимые реакции отщепления различных групп от субстратов не гидролитическим путем. Эти реакции сопровождаются образованием двойной связи или присоединением групп к месту разрыва двойной связи. Ферменты обозначают термином «субстрат-лиазы». Например, фумарат-гидратаза (систематическое название «L-малатгидролаза») катализирует обратимое отщепление молекулы воды от яблочной кислоты с образованием фумаровой кислоты. В эту же группу входят декарбоксилазы (карбоксилиазы), амидин-лиазы и другие. Изомеразы К классу изомераз относят ферменты, катализирующие взаимопревращения оптических и геометрических изомеров. Систематическое название их составляют с учетом типа реакции: «субстрат – цис-транс-изомераза». Если изомеризация включает внутримолекулярный перенос группы, фермент получает название «мутаза». К этому же классу относят рацемазы и эпимеразы, действующие на амино- и оксикислоты, углеводы и их производные; внутримолекулярные оксидоредуктазы, катализирующие взаимопревращения альдоз и кетоз; внутримолекулярные трансферазы, переносящие ацильные, фосфорильные и другие группы, и т.д. Лигазы (синтетазы) К классу лигаз относят ферменты, катализирующие синтез органических веществ из двух исходных молекул с использованием энергии распада АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата). Систематическое название их составляют по форме «X : Y лигаза», где X и Y обозначают исходные вещества. В качестве примера можно назвать Lглутамат: аммиак лигазу (рекомендуемое сокращенное название «глутаминсинтетаза»), при участии которой из глутаминовой кислоты и аммиака в присутствии АТФ синтезируется глутамин. 1.1. Роль ферментов и ферментных препаратов Использование в пищевой промышленности ферментных препаратов несомненно представляет собой одно из тех направлений, которое приведет к коренной реорганизации и улучшению как технологии пищевого производства, так и качества всей его продукции. Препараты различных ферментов в настоящее время используют в 19-20 отраслях пищевой промышленности. Применение их быстро возрастает. К таким отраслям относятся производство многих крупяных изделий; кондитерская промышленность; производство мяса и мясопродуктов – колбасных изделий, мясокопченостей; консервная промышленность; обработка рыбы и рыбных изделий – копченостей, продуктов обычного и пряного посолов, рыбной кулинарии; молочная промышленность, в частности, выработка сырковой массы, цельномолочных 7 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) концентратов, сгущенного молока, мороженого и кремов; сыроделие; маслоделие; производство яичного порошка и сухого молока; виноделие; пивоварение; спиртовая промышленность; производство изделий из фруктов – пюре, гиков, сиропов, концентратов; производство овощепродуктов – супов, пюре, сушеных овощей; крахмалопаточная промышленность; выработка шоколада, какао, кофе; производство безалкогольных напитков, сокоморсовых изделий; приправ и ароматизирующих продуктов; некоторых кормов для животных. Важная и перспективная область применения энзиматических препаратов – это общественное питание – выработка готовых блюд, кулинарных изделий, полуфабрикатов. Отрасли, в которых используют ферменты, характеризуются большим объемом выпускаемой продукции, крупным масштабом производства. Их валовый оборот в хозяйстве составляет десятки миллиардов рублей. Сама продукция используется наиболее широко, наибольшими контингентами населения. В основе промышленной переработки крахмала и крахмалсодержащего сырья (картофеля, семян хлебных злаков) лежит превращение полисахарида в сахара и декстрины, которые используют в изготовлении большого числа пищевых продуктов и напитков, а также являются источником углерода при ферментациях. Ферментативный гидролиз крахмала осуществляется с помощью амилаз. Основной операцией в технологии хлебобулочных изделий является брожение теста, вызываемое дрожжами; его цель – разрыхление теста за счет диоксида углерода, выделяемого при сбраживании сахаров. В этом процессе амилазы играют исключительно большую роль. Активность амилаз в муке обусловливает ее сахарообразующую способность; от нее зависит интенсивность брожения теста, количество остаточных сахаров в нем и, в конечном счете, качество хлебобулочных изделий. Гидролиз крахмала в сбраживаемые сахара в технологии продуктов брожения (пива и спирта) осуществляется под действием амилаз солода. Для экономии солода в пивоварении применяют несоложеное сырье. Неблагоприятные изменения и осложнения в процессе приготовления пивного сусла на несоложеном сырье можно устранить с помощью ферментных препаратов. Добиться наиболее полного превращения крахмала в сбраживаемые сахара в технологии спирта позволяют грибные амилазы. При производстве пива применяют протеолитические, цитолитические ферментные препараты, а также их смеси в виде мультиэнзимных композиций. Амилолитические препараты применяют при затирании при повышенном количестве несоложеного сырья и низком качестве исходного сусла. Они существенно повышают выход экстракта и улучшают качество сусла. Протосубтилин используют при повышенных количествах несоложеного сырья и для улучшения качества сусла из некачественных солодов, а также 8 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) для ликвидации коллоидных помутнений в пиве. Цитолитические препараты повышают выход экстракта за счет гидролиза некрахмальных полисахаридов, в основном гемицеллюлозы. Одновременно повышаются качество сусла и стойкость пива. Производство фруктозно-глюкозных сиропов в настоящее время получило широкое распространение во многих странах. Катализатором инверсии сахарозы и полисахаридов является фермент инвертаза [2]. При переработке фруктов и овощей широко используют пектолитические ферменты, специфически расщепляющие пектиновые вещества. Основной целью в производстве фруктовых и овощных пюре, соков, в виноделии является расщепление растворимого пектина и его предшественника нерастворимого протопектина, приводящее к разрушению межклеточной структуры и к существенному увеличению сокоотдачи перерабатываемых фруктов и овощей. К ферментам, катализирующим расщепление пектиновых веществ, относятся пектинэстеразы, пектиназы и пектинлиазы. Из протеолитических ферментов, содержащихся в различных органах и тканях животных, широкое применение в пищевой промышленности получили реннин и пепсин. Они способны расщеплять казеин молока и используют в производстве творога и сыра [3]. Из растительных протеаз применяют протеазы семян злаковых, папаин, бромелин и фицин. Эти протеазы обладают более широкой специфичностью по сравнению с реннином и пепсином. Их используют в переработке мяса, рыбы, в хлебопечении. Оксидоредуктазы играют большую роль в формировании вкуса, цвета и аромата пищевых продуктов. Некоторые из оксидоредуктаз оказывают отрицательное влияние на пищевые продукты. Глюкозооксидаза позволяет удалять из продукта кислород и глюкозу, предотвращая тем самым окисление. Под действием дифенолоксидазы дубильные вещества чайного листа окисляются кислородом воздуха до темноокрашенных соединений, определяющих вкус, цвет и аромат черного чая. При этом то же действие дифенолоксидазы в макаронных изделиях приводит к их нежелательному потемнению. Липоксигеназа играет отрицательную роль при хранении и переработке зерна, муки, крупы, вызывая их прогоркание. Для предотвращения прогоркания применяют обработку зерна паром. Аскорбиноксидаза снижает содержание в плодах и овощах аскорбиновой кислоты. Для подавления активности фермента используют бланшировку [3]. 9 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) 2. Ферменты молока Большая часть истинных ферментов молока является нормальным компонентом секреторных клеток, принимающих участие в клеточном метаболизме и синтезе составных частей молока, которые затем переходят в молоко. Кроме этих ферментов в молоке присутствуют многочисленные внеклеточные и внутриклеточные ферменты, продуцируемые микрофлорой молока и бактериальных заквасок. Некоторые ферментные препараты (сычужный фермент и его заменители, пепсин, ренин, галактозидаза и другие) специально вносят в молоко при изготовлении молочных продуктов. Практически все ферменты, которые можно встретить в молоке и молочных продуктах, имеют большое практическое значение. Действие ферментов строго специфично, каждый фермент катализирует только одну химическую реакцию. Из молока, полученного при нормальных условиях от здорового животного, выделено более 20 истинных, или нативных, ферментов. Большая их часть образуется в клетках молочной железы и переходит в молоко во время секреции. Меньшая часть переходит в молоко из крови животного. Таким образом, на действии ферментов классов гидролаз, оксидоредуктаз и других основано производство кисломолочных продуктов и сыров. Протеолитические и другие ферменты, попадающие в молоко из воздуха и других источников, напротив, могут вызывать изменения составных частей молока, пороков вкуса и запаха во время выработки и хранения молочных продуктов, что может привести к снижению их пищевой ценности. Кроме того, по активности некоторых нативных (истинных) и бактериальных ферментов можно судить о санитарно-гигиеническом состоянии сырого молока или эффективности его пастеризации [4]. В молоке ферменты находятся в свободном состоянии, а также связаны с казеиновыми мицеллами и оболочками жировых шариков. Оксидоредуктазы Оксидоредуктазы молока – к ним относят дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазу и каталазу. Дегидрогеназы Эти ферменты клетки молочной железы почти не вырабатывают. Разнообразные дегидрогеназы (редуктазы) накапливаются в молоке при размножении в нем бактерий. Дегидрогеназы обнаружены в молоке в небольших количествах в нативном виде. Они являются катализаторами дегидрирования, при этом перенос атомов водорода осуществляют пиридиновые и прочие дегидрогеназы. С увеличением количества бактерий в молоке активность редуктаз, как правило, возрастает. С помощью редуктазной пробы на молочных заводах устанавливают бактериальную обсемененность принимаемого молока. 10 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Дегидрогеназы, вырабатываемые молочнокислыми бактериями и дрожжами, имеют большое значение при молочнокислом и спиртовом брожении [2]. Дегидразы различают анаэробные и аэробные. Анаэробные передают отнятый водород любому веществу, кроме кислорода воздуха. Аэробные передают водород непосредственно кислороду воздуха. Многочисленные дегидрогеназы накапливаются в сыром молоке при размножении в нём бактерий. Они называются редуктазами бактериального происхождения. Активность редуктаз и, как следствие, бактериальную обсеменённость молока определяют по продолжительности восстановления, т.е. обесцвечивания добавленного к молоку метиленового голубого или резазурина по редуктазной пробе [2]. Пероксидаза Фермент окисляет различные соединения с помощью пероксида водорода. Пероксидаза содержится в молоке в больших количествах, продуцируется клетками молочной железы. Часть её может высвобождаться из лейкоцитов. Фермент содержится в молоке в больших количествах, от 30 до 100 мг/дм3. Фермент обладает антибактериальными свойствами. Пероксидаза термостабильна, инактивируется при 80 °С в течение 25 с., катализирует окисление различных органических соединений пероксида водорода и может окислять некоторые неорганические соединения, например иодид калия. Реакцией на пероксидазу в молочной промышленности определяют эффективность пастеризации молока (проба на пероксидазу) [4]. Каталаза Нативная каталаза переходит в молоко из клеток молочной железы, а также продуцируется микрофлорой молока и лейкоцитами. Количество каталазы в молоке непостоянно. В свежем коровьем молоке, полученном от здоровых животных, каталазы содержится мало. В молозиве и в молоке, полученном от больных животных или бактериально загрязненном, ее количество резко увеличивается. Поэтому определение активности каталазы используют как метод обнаружения анормального молока и выявления его обсемененности психротрофной и гнилостной микрофлорой [2]. Фермент каталаза обнаружил ограниченное применение в одной конкретной области производства сыра. Пероксид водорода является мощным окислителем и токсична для клеток. Он используется вместо пастеризации при изготовлении определенных сыров, таких как швейцарский, для сохранения натуральных молочных ферментов, полезных для конечного продукта и развития вкуса сыра. Эти ферменты будут разрушены высокой температурой пастеризации. Однако остатки пероксида водорода в молоке будут препятствовать бактериальным культурам, 11 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) которые необходимы для производства сыра, поэтому все следы его необходимо удалить. Ферменты каталазы обычно получают из бычьей печени или микробных источников и добавляют для превращения пероксида водорода в воду и молекулярный кислород. Контроль активности каталазы молока основан на определении количества кислорода, выделившегося из определенного объема молока пероксидом водорода, или на измерении количества разложившегося пероксида водорода ферментом. Гидролитические и другие ферменты К гидролитическим ферментам молока относят липазы, фосфатазы, протеазы, лактаза, амилаза, лизоцим и некоторые другие гидролитические ферменты. Липазы Ферменты катализируют гидролиз триглицеридов молочного жира и дают характерные ароматы сырам. Крепкие ароматизированные сыры, например, итальянский сыр Romano, готовят с использованием липаз. В молоке содержатся нативная и бактериальная липазы. Количество нативной липазы незначительно. Она связана, главным образом, с казеином (плазменная липаза), и лишь небольшая часть ее (около 1 %) адсорбирована оболочками жировых шариков (мембранная липаза). Иногда происходит перераспределение плазменной липазы с белков на жировые шарики. При этом в результате гидролиза жира выделяются низкомолекулярные жирные кислоты (масляная, капроновая, каприловая) и молоко прогоркает. Прогоркание молока в результате гидролиза жира под действием липаз (липолиз) может происходить в процессе хранения и после технологической обработки молока − перекачивания, гомогенизации [4]. Липазы животных получают от теленка и баранины, тогда как микробная липаза образуется путем ферментации с грибковыми видами Mucor meihei . Хотя микробные липазы доступны для производства сыра, они менее специфичны в том, какие жиры они гидролизуют, в то время как животные ферменты более частичны для коротких и средних жиров. Гидролиз более коротких жиров является предпочтительным, поскольку он приводит к желательному вкусу многих сыров. Гидролиз более длинных цепей жирных кислот может привести либо к мыльной форме, либо к отсутствию вкуса. Нативная липаза инактивируется при температуре пастеризации около 80 °С. Бактериальные липазы более термостабильны. Они разрушаются при 80-90 °С. Фосфатазы Фермент фосфатаза гидролизует эфиры фосфорной кислоты. В свежевыдоенном молоке обнаружены щелочная фосфатаза (с оптимумом рН 9,6) и незначительное количество кислой фосфатазы (с оптимумом рН около 5). Фосфатазы попадают в молоко из клеток молочной железы. Щелочная фосфатаза концентрируется на оболочках жировых 12 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) шариков, кислая связана с белками. Щелочная фосфатаза молока чувствительна к повышенной температуре, кислая фосфатаза термостабильна. Нагревание молока в течение 30 мин. при 63 °С, кратковременная и моментальная пастеризация при 74-85 °С полностью разрушают щелочную фосфатазу. Высокая чувствительность фосфатазы к нагреванию была использована при разработке метода контроля эффективности пастеризации молока и сливок (фосфатазная проба) [4]. Протеазы (протеолитические ферменты) Протеазы катализируют гидролиз пептидных связей белков и полипептидов. В молоке содержится небольшое количество нативной протеазы, переходящей из крови. Она вызывает гидролиз ß-казеина. Фермент термостабилен, инактивируется при температуре выше 75 °С. Микрофлора молока выделяет более активные протеазы, которые могут вызвать различные пороки молока и масла. Так, при размножении в молоке микрококков и гнилостных бактерий появляется горький вкус, при пониженной кислотности (35-40 °Т) наблюдается его свертывание. Молочнокислые бактерии вырабатывают малоактивные протеазы, которые, однако, имеют особое значение при созревании сыров. Активность протеолитических ферментов, выделяемых молочнокислыми палочками и стрептококками, различна. Палочки, по сравнению со стрептококками, выделяют более активные ферменты. Коровье молоко также содержит сывороточные белки, такие как лактальбумин и лактоглобулин. Денатурация этих сывороточных белков, использующих протеазы, приводит к сливочному продукту йогурта. Разрушение сывороточных белков также важно для производства сыра. Во время производства мягких сыров сыворотка отделяется от молока после свертывания и может быть продана в качестве питательной добавки для бодибилдинга, снижения веса и снижения артериального давления. Протеазы используют для получения гидролизованного сывороточного белка, который представляет собой сывороточный белок, расщепляемый на более короткие полипептидные последовательности. Гидролизованная сыворотка с меньшей вероятностью вызывает аллергические реакции, и её используют для приготовления добавок для детских смесей и медицинских целей. Лактаза Лактаза катализирует реакцию гидролитического расщепления лактозы на моносахариды: глюкозу и галактозу. Молочная железа фермент почти не вырабатывает, его выделяют молочнокислые бактерии и некоторые формы дрожжей. Лактаза имеет оптимум действия при рН 5 и температуре 40 °С. Фермент применяют при выработке гидролизованной сыворотки, используемой в хлебобулочной и кондитерской промышленности. В молочной промышленности 13 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) применяют при выработке сгущенного молока с сахаром в производстве низко лактозных молочных продуктов. Лактазу также используют при приготовлении мороженого, чтобы сделать сливочный и сладкий продукт дегустации. В медицине фермент применяют при нарушении пищеварения, связанного с непереносимостью к лактозе. У здоровых людей без достаточного продуцирования фермента лактазы в тонком кишечнике появляется непереносимость лактозы, что приводит к дискомфорту (судороги, метеоризм и диарея) в пищеварительном тракте при проглатывании молочных продуктов. Амилаза Этот гидролитический фермент катализирует расщепление крахмала до декстринов и мальтозы. Амилаза в молоке содержится в форме α-амилаза, связана с ß- лактоглобулиновой фракцией молока. В нормальном молоке содержится небольшое количество амилазы, при заболевании коров маститом ее содержание повышается. Амилаза имеет оптимум действия при рН 7,4 и температуре 37 °С. Фермент инактивируется при пастеризации молока − нагревание до 63 °С в течение 30 мин. разрушает амилазу полностью. Лизоцим (мурамидаза) Это очень важный фермент молока: он гидролизует связи в полисахаридах клеточных стенок бактерий и вызывает их гибель. Вместе с другими антибактериальными факторами (иммуноглобулинами, лактоферрином, лактопероксидазой, лейкоцитами и другими) лизоцим обусловливает бактерицидные свойства свежевыдоенного молока. Коровье молоко содержит небольшое количество лизоцима (среднее значение 13 мк/г в 100 см3), в женском молоке его в 3000 раз больше. Он относится к основным белкам (имеет изоэлектрическую точку при рН 9,5), в кислой среде термостабилен [4]. 14 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) 3. Применение ферментов в мукомольном производстве и хлебопечении Качество хлеба определяется особенностями химического состава муки и активностью ее ферментного комплекса. Значительное влияние оказывают также условия брожения и выпечки. Получить хлеб хорошего качества можно только в том случае, когда в процессе тестоведения гармонически сочетаются скорости микробиологических процессов и биохимических превращений. Ферментативный гидpолиз высокомолекулярных компонентов сырья – белков и углеводов – в определенной степени способствует интенсификации этих превращений и, в конечном счете, положительно сказывается на качестве хлеба. Если раньше в качестве источника ферментов использовали солод, то в последние годы все большие масштабы приобретает применение ферментных препаратов для регулирования биокаталитических процессов, протекающих при приготовлении теста и выпечки хлеба. Солод используют в основном для приготовления питательных сред (заварок) для жидких дрожжей, для активации прессованных дрожжей, а также при выпечке специальных сортов хлеба, например рижского. 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 [5]. Их функциональная особенность состоит в форсировании и направленном регулировании биохимических процессов, протекающих при производстве (табл. 1). Таблица 1 Основные направления использования ферментов при производстве хлеба Цель применения Увеличение объема, улучшение цвета корки, продление срока хранения хлеба Увеличение пористости и объема хлеба вследствие уменьшения вязкости и увеличения пластичности теста Увеличение стабильности теста, пористости и объема, замедление черствения хлеба с повышенным содержанием структурных полисахаридов Увеличение стабильности теста, улучшение цвета и состояния корки, структуры и цвета мякиша, замедление черствения Регуляция реологических свойств теста путем укрепления клейковины Ферменты α-Амилазы, глюкоамилазы Протеазы Гемцеллюлазы, целлюлазы Липазы Липоксигеназы, глюкозооксидазы и каталазы Преимуществом использования ферментных препаратов является: – узкая специфичность действия; – проявление активность в строго определенной последовательности; 15 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) – проявление активности при определенных параметрах процесса. Необходимость применения в хлебопечении экзогенных ферментов связана в основном с недостатком облигатных ферментов, особенно в муке высших сортов, при получении которых удаляются периферийные части зерна, содержащие значительное количество собственных ферментов. 3.1.1. Амилолитические ферменты Амилолитические ферменты – группа ферментов, относящаяся к классу гидролаз и катализирующие в хлебопечении реакции гидролиза крахмала, состоящего из 10-20 % амилозы и 80-90 % амилопектина (рис. 1). Рис. 1. Амилоза (1) и амилопектин (2) Амилолитические ферменты являются основной группой ферментов, используемых для интенсификации процесса приготовления теста и улучшения качества хлеба. Ферментативное воздействие на крахмал способствует увеличению количества сахаров в тесте, что приводит к интенсификации процесса брожения, усилению газообразования на этапе окончательной расстойки и на ранних стадиях выпечки. В свою очередь, это приводит к увеличению объема изделий, улучшению пористости и текстуры мякиша. Наиболее активно применяемыми для повышения качества хлеба и продления срока его хранения являются препараты α-амилазы. α-Амилазы играют ведущую роль в предотвращении черствения хлеба. Образующиеся под их действием декстрины препятствуют ретроградации крахмала 16 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) (образованию новых водородных связей между цепочками олигосахаридов) и возникновению поперечных связей между молекулами крахмала и белков клейковины, ведущих к кристаллизации структуры [6]. В настоящее время для увеличения объема хлеба, продления срока его хранения, улучшения цвета корки хлеба и его аромата применяют α-амилазы растительного происхождение – образующиеся в проросшем зерне (солоде), и микробного происхождения – синтезируются бактериями и грибного [6]. Известно, что грибная α-амилаза, обладая более низкой термостабильностью по сравнению с бактериальной, проявляет максимальную активность в температурном диапазоне 40-50 °С, т.е. до начала клейстеризации крахмала. Таким образом, к моменту, когда крахмал станет доступен для действия ферментов, активность грибной амилазы (и, соответственно, ее эффективность) будет невысока. Механизм действия амилолитических ферментов на крахмал представлен на рис. 2. Рис. 2. Механизм действия амилолитических ферментов на крахмал Напротив, термостабильная бактериальная амилаза может сохранять свою активность и при 80-110 °С, предотвращая таким образом ретроградацию крахмала и агрегацию его структурных компонентов, но за счет накопления растворимых декстринов может придать хлебу избыточную влажность и липкость, что недопустимо для некоторых видов изделий. 17 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Установлено, что эффективность α-амилаз различного происхождения для замедления кристаллизации крахмала снижается в ряду: бактериальная > грибная > зерновая. Особое место среди амилолитических ферментов занимает мальтогенная амилаза, являющаяся изоферментом α-амилазы. Бактериальная мальтогенная амилаза обладает в основном осахаривающей способностью. Она гидролизует крахмал до мальтозы. Однако в отличие от α-амилазы, она воздействует преимущественно на внешние ветви амилопектина, укорачивая их, но не нарушая целостность крахмальных зерен и не разрывая связи между ними. Таким образом, достигается замедление ретроградации амилопектина при минимальном негативном воздействии на реологические свойства теста, характерном для α-амилаз [5]. Высокая эффективность мальтогенной амилазы в отношении сохранения свежести хлеба объясняется также ее способностью гидролизовать крахмал с получением специфических продуктов – мальтоолигосахаридов, которые обладают способностью замедлять кристаллизацию крахмала. Важным свойством бактериальной мальтогенной амилазы является ее пониженная термостабильность. Фермент проявляет максимальную активность при температуре 60-70 °C и инактивируется на заключительных стадиях выпечки, обеспечивая интенсивный гидролиз крахмала без риска передозировки препарата и получения изделий с влажным липким мякишем. Глюкоамилаза и β-амилаза являются типичными экзо-действующими ферментами, катализируя последовательное отщепление от молекулы субстрата β-глюкозы и мальтозы соответственно. Деятельность этих ферментов способствует повышению содержания в тесте сбраживаемых углеводов, усилению газообразования и, следовательно, увеличению объема изделий и срока сохранения их свежести. Замедление черствения также связывают с ферментативным воздействием на внешние боковые цепи амилопектина. Отщепление молекул мальтозы или глюкозы препятствует взаимодействию молекул амилопектина между собой и снижает скорость его ретроградации. Целесообразно использовать данные ферменты в сочетании с α-амилазами, так как благодаря его способности расщеплять крахмал на декстрины образуется субстрат для фермента β-амилазы. Поскольку β-амилаза содержится в пшеничной муке в достаточных количествах, в качестве добавки фермент практически не используют. Глюкоамилаза – экзо-фермент, катализирующий отщепление глюкозы от нередуцирующего конца амилозы и амилопектина, т.е. последовательный гидролиз нескольких гликозидных связей в одной молекуле субстрата. 3.1.2. Протеолитические ферменты В зависимости от типа разрываемой связи и ее расположения в молекуле субстрата 18 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) (белка) протеазы подразделяют на: протеиназы – эндо-ферменты, под действием которых белковая молекула распадается на пептиды и пептидазы – экзо-ферменты, катализирующие отщепление от пептидной цепи индивидуальной аминокислоты. В пшеничной муке содержится целый комплекс протеолитических ферментов, которые учувствуют в гидролитическом расщеплении белка. Механизм действия протеолитических ферментов на белок представлен на рис. 3. Рис. 3. Механизм действия протеолитических ферментов на белок Протеолитические ферменты применяют для регулирования структурно- механических свойств клейковины с целью понижения силы муки. Их использование позволяет уменьшить вязкость теста, сделать его более пластичным и эластичным, сократить время замеса, необходимую для формирования в тесте оптимальной газоудерживающей способности. Протеолитические ферменты применяются при производстве хлебобулочных изделий, технология которых требует особенно легкого, подвижного и растяжимого теста. Однако слишком интенсивный гидролиз белков на стадиях брожения и расстойки может привести к тому, что тесто станет липким и мягким, а изделия получатся низкого объема с грубой пористостью. В связи с этим необходимо использовать термостабильную протеазу, максимальная активность которой наблюдается при повышенной температуре, что снижает риск чрезмерного разжижения теста. В этом случае полученные образцы хлеба отличаются более эластичным мякишем и дольше сохраняют свежесть по сравнению с контрольными образцами [6]. 3.1.3. Цитолитические ферменты Гемицеллюлазные ферменты 19 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) К данной группе ферментов в мукомольном производстве и хлебопечении относятся целлюлазы, гемцеллюлазы и пентозаназы. Гемицеллюлазы – группа ферментов, относящихся к классу гидролаз и катализирующих реакцию гидролиза гемицеллюлозы – полисахариды клеточных стенок растений, соединяющих клетки с образованием тканей (так называемые некрахмальные полисахариды). Преобладающими гемицеллюлозами злаковых культур являются пентозаны, в частности, арабиноксиланы, составляющие 1,5–3 % пшеничной и около 8 % ржаной муки. Пентозаны пшеничной муки представлены водорастворимой и нерастворимой фракциями. Обе фракции негативно влияют на реологические свойства теста, обусловливая его устойчивость к растяжению. Нерастворимые пентозаны образуют с белками клейковины поперечные связи, оказывая тем самым отрицательное влияние на формирование клейковинного каркаса при замесе, упругие свойства теста и качество хлеба. Растворимые пентозаны обладают высокой водосвязывающей способностью, поглощая семикратное количество влаги по сравнению со своей массой, тем самым изменяя водопоглотительную способность теста. Отрицательное воздействие некрахмальных полисахаридов на свойства теста и качество изделий (особенно при производстве хлеба из цельносмолотого зерна или с добавлением отрубей) стало основной причиной использования ферменных препаратов гемицеллюлаз. Наиболее важными в функциональном отношении гемицеллюлазными ферментами являются некоторые виды пентозаназ, называемые ксиланазами. Ксиланазы осуществляют гидролиз ксиланов, предотвращая их ассоциацию с белками клейковины. Схема гидролиза гемицеллюлозы, основным компонентом которых служит арабиноксилан, представлена на рис. 4. Продукты частичного гидролиза ксиланов имеют высокую водоудерживающую способность. Таким образом, образуется водонасыщенный развитый клейковинный каркас. Ксиланоолигосахариды препятствуют взаимодействию крахмала с белками клейковины, что замедляет процесс черствения хлеба. 20 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Рис. 4. Механизм действия фермента ксиланазы на арабиноксилан 3.1.4. Липолитические ферменты (липазы) В хлебопечении препараты липазы начали использовать намного позднее, чем другие. В пшеничной муке субстратом для действия липаз являются собственные липиды муки, содержание которых может достигать до 2-3 % от ее массы, а также жировые продукты, присутствующие в рецептуре [6]. Механизм действия липолитических ферментов представлен на рис. 5. Рис. 5. Механизм действия ферментов липазы и липоксигеназы Установлено, что применение препаратов липазы приводит к улучшению реологических свойств теста, увеличению удельного объема изделий, улучшению структуры и цвета мякиша. Также есть сведения, что липазы способствуют замедлению 21 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) черствения хлеба, что можно объяснить действием продуктов гидролиза – моноглицеридов и жирных кислот, которые, образуя комплексы с амилозой, замедляют ее ретроградацию. Однако ввиду крайне незначительного содержания липидов в муке и, соответственно, количества образующихся поверхностно-активных веществ, есть основания полагать, что происходит модификация не только крахмальной, но и белковой составляющей муки. Предполагается, что липазы изменяют взаимодействия между белками и липидами муки, улучшая качество клейковины [6]. 3.1.5. Окислительно-восстановительные ферменты Оксиредуктазы В хлебопечении и мукомольном производстве к ним относятся такие ферменты, как полифенолоксидаза, липоксигеназа, глюкозооксидаза и каталаза. Полифенолоскидаза в муке способна катализировать окисление тирозина с образованием меланоидов – продуктов реакции меланоидинообразования, вызывающих потемнение мякиша хлеба. Однако данный фермент проявляет негативное действие по отношению к муке, поэтому ферментные препараты на его основе малоприменимы в хлебопечении. Липоксигеназа также относится к классу окислительно-восстановительных ферментов. Глюкозооксидаза – фермент, катализирующий окисление глюкозы кислородом с образованием γ-глюконолактона, который спонтанно превращается в глюконовую кислоту и пероксид водорода – активный окислитель (рис. 6). Рис. 6. Механизм действия фермента глюкозооксидазы Свободный пероксид водорода, не участвующий в окислительных процессах (избыточная), должен быть удален из системы, что достигается с помощью каталазы, разлагающей пероксид на воду и кислород. Улучшение качества хлеба с глюкозооксидазой 22 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) достигается при ее совместном применении с аскорбиновой кислотой, которая в процессе переходит в дегидро-L-аскорбиновую кислоту, окислительно воздействующую через ряд сопряженных реакций на белково-протеиназный комплекс муки, что приводит к улучшению свойств теста. Система, включающая глюкозооксидазу, может активно действовать при наличии глюкозы, которая появляется при гидролизе сахарозы и мальтозы дрожжевыми ферментами инвертазой и мальтазой. Поэтому применение глюкозооксидазы эффективно при высокой ферментативной активности дрожжей. Для повышения в среде содержания мальтозы вводят препарат грибной (мальтогенной) α-амилазы. Окислению сульфгидрильных групп белка препятствуют ассоциированные с ним ксиланы. Для повышения доступности белка используют ксиланазы. Значительное увеличение удельного объема хлебобулочных изделий наблюдается при использовании комплексного улучшителя, включающего глюкозооксидазу, каталазу, аскорбиновую кислоту, грибную амилазу и ксиланазу. С целью предотвращения черствения хлеба такая мультиэнзимная композиция может быть дополнена бактериальной α-амилазой [6]. 3.2. Применение ферментов в кондитерском производстве Кондитерские изделия в зависимости от вида сырья и типа технологического процесса подразделяют на две группы: мучные и сахаристые. К мучным изделиям относят: печенье, галеты, крекеры, вафли, пряники, кексы, пирожные, рулеты, торты; к сахаристым – какао-порошок, шоколад, конфеты, карамель, мармелад, пастила, ирис, драже, халва. Применение ферментных препаратов в кондитерском производстве обусловлено, с одной стороны, видом и свойствами сырья, с другой – технологической необходимостью и целесообразностью. Применение протеаз и амилаз Комплексные ферментные препараты, содержащие активные протеазы и α-амилазу (например, амилоризин П10Х), применяют при производстве мучных кондитерских изделий с целью ускорения процесса брожения и корректировки физических свойств клейковины муки, изменения реологических свойств теста, ускорения его «созревания» [6]. 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 α-амилазу. Совокупное действие этих ферментов обеспечивают дрожжи сбраживаемыми сахарами и низкомолекулярными азотистыми веществами. Часть неиспользованных при брожении сахаров и азотистых веществ вступает в реакцию меланоидинообразования, благодаря чему галеты и крекеры приобретают интенсивную окраску и приятный аромат. 23 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) 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; αамилаза, присутствующая в качестве сопутствующего фермента как в грибных, так и бактериальных препаратах, не мешает их использованию. В случае применения бактериальных протеолитических препаратов (например, протосубтилина Г10Х), содержащих в качестве сопутствующего фермента α-амилазу, при производстве изделий подобных крекерам, галетам, печенью, опасности излишней декстринизации не существует, т. к. фермент быстро инактивируется за счет того, что эти тонкие изделия быстро прогреваются до высокой температуры. При выработке кексов, а также бисквитного полуфабриката, выпекающихся в довольно толстом слое при невысокой температуре, в случае необходимости применения комплексных бактериальных препаратов следует осторожно подходить к их дозировке во избежание порчи мякиша. Необходимо также учитывать, что усиленное механическое воздействие на кондитерское тесто приводит к повышению атакуемости ферментами полимеров муки – крахмала, белков, других веществ, усиливая тем самым конечный эффект гидролиза [5]. Для заварных и сырцовых пряников наибольшее значение имеет протеолиз, но наряду с потребностью в регулируемом расслаблении теста важным является и сохранение свежести (мягкости) продукта. Очевидно, что 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 декстринирующей) 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 α-амилазу, используют для ускорения и облегчения обработки теста при приготовлении слоеного полуфабриката с целые улучшения его эластичных свойств и предупреждения усадки при выпечке. Кроме того, применение таких ферментных препаратов при производстве вафель позволяет оптимально снизить вязкость вафельного теста, способствует получению тонких хрустящих вафельных листов. Применение инвертазы Препараты инвертазы представляют собой суспензию спиртоосажденной инвертазы 24 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) в 25 %-ном, 50 %-ном растворе глицерина или 70 %-ном растворе сорбита. Оптимум pH действия препарата 4,5-5,5, что вполне приемлемо для его использования в различных технологиях производства сахаристых изделий. Инвертаза применяется в кондитерской промышленности для производства отливных помадных корпусов конфет, круглых помадных корпусов и жидких фруктовых начинок, таких как вишневый ликер. В каждом случае ее применение обусловлено необходимостью получить полумягкую или жидкую консистенцию при высоких концентрациях сахара (78 %), предотвращающих брожение. Ускорение или замедление действия инвертазы достигается путем изменения концентрации вносимого препарата, воды и температурного режима. При высокой температуре инвертаза инактивируется, и даже при температуре отливки (65 °С) активность инвертазы снижается на 12 % в течение 30 мин. и на 24 % в течение 60 мин. Некоторые сорта конфет, например, конфеты с вишневым ликером, невозможно изготовить без инвертазы. В случае производства помадной массы из кокосовых орехов применение инвертазы обусловлено и повышенной влагоудерживающей способностью фруктозы, образующейся под действием этого фермента. Применение липазы Молочные ингредиенты широко применяют при производстве кондитерских изделий, они в значительной мере обуславливают их аромат, вкус и питательную ценность. В усилении аромата молочного шоколада, карамели, ириса, сливочного крема наряду с другими компонентами принимают участие и свободные жирные кислоты, образующиеся под действием липаз. При низких уровнях свободных жирных кислот аромат изделий усиливается, но новые ароматы не образуются; при средних – появляется аромат масла; при высоких – аромат сыра. Подобные ароматические вещества могут быть получены путем модификации масел или жиров с применением препаратов липаз различного происхождения (животных, растительных, микробных) [6]. 25 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) 4. Ферменты в производстве алкогольной и безалкогольной продукции 4.1. Ферменты в производстве спирта Зерно ячменя обладает высокой активностью ферментов (амилазы, протеазы и пероксидазы), поэтому является хорошим материалом для приготовления солода. Богатый химический состав предопределяет использование злаков в качестве исходного сырья для производства спирта. Эти вещества являются питательными компонентами для дрожжей, следовательно брожение в данной среде будет проходить гораздо лучше, и конечный продукт будет обладать отличной вкусоароматикой. Основным источником спирта при брожении являются углеводы. В зерне они представлены крахмалом. Злаковые культуры – это основное сырье для производства спирта и получения дистиллята. Прежде всего, это ячмень, овес, рис, кукуруза, пшеница и так далее. Используют их по нескольким причинам: – относительно небольшая стоимость – приятный органолептический профиль получаемого продукта – высокий выход спирта Дрожжи перерабатывают на спирт только моно-, дисахариды и некоторые декстрины. Крахмал является полисахаридом, состоящим из амилозы и амилопектина. Дрожжи перерабатывают крахмал только при условии разрушения молекулы на простые углеводы (моно- и дисахариды). Именно для этого процесса необходимы ферменты. Температура клейстеризации крахмала – температура при которой происходит набухание и разрушение структуры крахмальных зерен, этот процесс позволяет ферментам произвести полное осахаривание крахмала. Соответственно, если температура клейстеризации выше рабочей температуры фермента, то сначала проводят отварку (нагрев затора до 90-100 °С) для набухания и разрушения структуры крахмальных зерен, затем производят охлаждения до рабочей температуры и вносят фермент [5]. Следовательно, есть три способа приготовить зерновую брагу: 1) Использовать солод, чтобы осахарить крахмал в зерне. Так можно осахарить до 40 % от засыпи несоложенного зерна. 2) Прорастить зерно, чтобы ферменты накопились в нем естественным образом, т.е. приготовить солод. Второй способ дешевле и позволяет получить результат быстрее. Однако можно использовать ферменты в виде препаратов и несоложеного сырья: – затирание с помощью нативных ферментов содержащихся в пророщенном зерне. Этот процесс является классической технологией производства заторов. Но он является довольно трудоемким, включающим в себя проращивание зерна, передерживание 26 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) температурных границ при затирании, пророщенное зерно на порядок выше в цене обычного зерна. – затирание с помощью ферментов, полученных бактериально. Данный метод является прогрессирующим и набирающим все большую популярность. Его основным преимуществом является относительная дешевизна и простота в использовании. Бактериальные ферменты позволяют использовать непророщенное зерно, что снижает конечную стоимость готовой продукции, а так же экономит время и силы. Так же бактериальные ферменты имеют более широкий температурный диапазон действия, что позволяет расширить область его применения в технологическом процессе [5]. Все ферментные препараты, предназначенные для спиртовой промышленности, можно подразделить на три основные группы по специфичности их воздействия на различные высокомолекулярные полимеры зернового сырья. Амилолитического действия – способствуют гидролизу крахмала. К ним относятся ферменты разжижающего, декстринирующего и осахаривающего воздействия. Протеолитического действия – разрушают (гидролизуют) белковые молекулы. Целлюлолитического действия – гидролизуют некрахмалистые полисахариды, например целлюлозу [5]. 1) Достаточно широко представлены ферментные препараты амилолитического действия, способствующие гидролизу крахмала. К ним относятся ферменты разжижающего, декстринирующего и осахаривающего воздействия на крахмал. Эти ферменты можно разделить на три класса: Бактериальная α-амилаза, образующая при гидролизе крахмала декстрины с различной степенью полимеризации. Грибная α-амилаза, обладающая эндоамилазной способностью к гидролизу крахмала с образованием растворимых декстринов, олигосахаридов и мальтозы. Глюкоамилаза, предназначенная для осахаривания частично расщепленных полимеров крахмала с образованием глюкозы. 2) Ко второй группе относятся ферменты протеолитического действия, гидролизующие белковые полимеры зерна, которые также подразделяются на классы. Бактериальные протеиназы. Препараты содержат одну или две протеиназы, как правило, нейтральную и щелочную, гидролизующие белки до пептидов. Эти ферменты повышают технологичность сусла, снижают вероятность белкового осаждения, но не обеспечивают дрожжевые клетки легкоусвояемым аминным азотом. Грибные протеазы, например, амилопротооризин, протооризин, содержат комплекс протеиназ и пептидаз (более 5 протеолитических ферментов), которые гидролизуют белки до коротких пептидов и свободных аминокислот, ассимилируемых дрожжевой клеткой. 27 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Применение этих ферментов позволяет не только снять коллоидно-белковые образования, но и обеспечить азотистым питанием дрожжи. В результате повышения бродильной активности дрожжей (на 20-25 %) интенсифицируется процесс спиртового брожения (на 30-40 %), увеличивается выход спирта. 3) К третьей группе относятся ферменты целюлолитического действия, гидролизующие некрахмальные полисахариды зерна. Такие препараты снижают вязкость сусла, повышают доступность крахмала к действию амилолитических ферментов, способствуя увеличению выхода спирта. Они в основном предназначены для повышения эффективности сбраживания таких видов зерна, как рожь и ячмень. В спиртовой промышленности, перерабатывающей крахмалистое сырье, широко применяются ферменты гидролитического расщепления крахмала. Для этой цели используется зерновой солод и ферментные препараты микробного происхождения. Применяемый в спиртовом производстве зерновой солод осуществляет гидролиз крахмала до сбраживаемых углеводов и является источником азотистого питания для дрожжей и при осахаривании крахмалистого сырья производит частичную деструкцию его клеточных стенок и белковых веществ [5]. Однако при применении солода из-за ограниченной возможности создания достаточно высокой концентрации ферментов скорость осахаривания и протеолиза сырья остается низкой, что затрудняет интенсификацию процесса брожения. Эффективная замена солода ферментами микробного происхождения является важной задачей. Применение ферментных препаратов экономически оправдано: интенсифицируется процесс осахаривания крахмала, повышается степень использования сырья, стабилизируются технологические процессы. Потребность спиртовой отрасли России в комплексных ферментных препаратах составляет около 7 тыс. т., доля отечественных препаратов – менее 15 %. При этом их ассортимент, готовая форма и упаковка не удовлетворяют в полной мере запросам промышленности. Достаточно эффективно в настоящее время работают цеха глубинного культивирования при спиртовых заводах, обеспечивая потребности собственных и близлежащих заводов в осахаривающих ферментах. Однако их явно недостаточно, и для увеличения объема производства ферментов необходимо дооснащение цехов оборудованием по концентрированию препаратов. Спиртзаводы используют для ферментативной обработки крахмалсодержащего сырья концентрированные ферментные препараты амилолитического действия. Несмотря на высокое качество ферментных препаратов и удобство их применения, в ряде случаев имеются сложности по правильному их использованию в технологическом производстве [5]. 4.2. Применение ферментов в пивоваренной промышленности 28 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Ферменты играют ключевую роль на всех этапах пивоварения. Классическая технология пива основана на использовании ферментов солода и дрожжей-сахаромицетов. Получение сусла из солода высокого качества не требует дополнительного введения ферментных препаратов. В солоде присутствуют гидролитические ферменты, необходимые для перевода в растворенное состояние основных групп полимеров: крахмала, некрахмальных полисахаридов и белка. В отличие от спиртового производства в пивоварении не стремятся достичь максимально возможной степени расщепления полимеров сырья, поскольку для создания полноты вкуса и пенообразования пива необходимы продукты неполного гидролиза крахмала, глюкана, белка. В производстве пива наряду с солодом используют несоложеные материалы. Например, при производстве массовых сортов пива используют до 60 % несоложеных материалов – риса, кукурузы, пшеницы и другие. При высокой ферментативной активности солода не снижает качества пива введение в состав сырья до 15 % ячменя, до 20 % кукурузной крупы или рисовой сечки. При замене значительной части солода несоложеным ячменем снижение ферментативной активности сырья можно компенсировать введением гидролитических ферментов. При замене 50 % солода ячменем активность α-амилазы и β-глюканазы в сырье снижается в 2 раза, протеазы – в 1,5 раза. Важнейшими из ферментов являются группы амилаз, протеаз и гемицеллюлаз. К группе амилолитических ферментов относятся α- и ß-амилазы, глюкоамилазы, изоамилаза, пуллуланаза и некоторые другие. Промышленные ферментные препараты применяются в процессе затирания при переработке больших количеств несоложеного зерна вместо солода. Доза препарата зависит от вида и количества заменителя солода, качества солода и несоложеного зерна, вида ферментов и их активности в соответствующем ферментном препарате. При переработке больших количеств несоложеного зерна промышленные ферменты восполняют прежде всего недостаток α-амилазы и тем самым обеспечивают полное осахаривание заторов. ß-амилаза расщепляет молекулу крахмала на сбраживаемые сахара. Причем отщепление идет с конца молекулярной цепочки, а значит, чем дольше будет работать этот фермент, тем больше будет сбраживаемых сахаров и тем крепче будет пиво. Рабочий диапазон от 54 до 67 °С, оптимальная температура – 63 °С. α-амилаза, тоже расщепляет крахмал на сахара, но делает это не с конца молекулы, а в произвольном месте. При работе этого фермента, в сусле появляются несбраживаемые сахара (декстрины) – это делает пиво более мягким и полнотелым. Температурный режим у альфа-амилазы составляет от 66 до 73 °С, оптимум 70 °С. 29 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) При переработке ячменя и других заменителей солода, но прежде всего при производстве пива с высокой степенью сбраживания, необходимо использовать ферментные препараты, которые расщепляют полисахариды и продукты их гидролиза в местах разветвления молекулы, т.е. ферменты, гидролизующие α-1,6-глюкозидные связи. Замена или восполнение ферментов солода осуществляется с помощью ферментных препаратов, содержащих амилоглюкозидазу или пуллуланазу. Оба фермента расщепляют α-1,6-гликозидные связи разветвленных декстринов и повышают в растворе содержание мальтозы и мальтотриозы (в результате действия пуллуланазы) и глюкозы (за счет действия амилоглюкозидазы). При этом амилоглюкозидаза расщепляет и связи α-1,4. Гидролиз начинается с нередуцирующего конца цепей, в результате чего образуется глюкоза. Пуллуланаза обеспечивает более значительное повышение степени сбраживания, чем амилоглюкозидаза, поскольку под ее действием из всех сбраживаемых сахаров образуется преимущественно глюкоза [5]. Из промышленных ферментных препаратов для обеспечения оптимального расщепления крахмала и достижения хорошего осахаривания сусла наиболее пригодны препараты, имеющие высокую α-амилазную активность. Для обеспечения повышенной степени сбраживания обычно используют препараты с высокой активностью амилоглюкозидазы [6]. Протеолитические ферменты При переработке больших количеств несоложеного зерна необходимо вносить соответствующие препараты протеолитических ферментов, которые в несоложеном зерне имеют низкую активность. При этом протеазы гидролизуют высокомолекулярные азотистые вещества солода и несоложеных материалов до низкомолекулярных пептидов и аминокислот. Они играют существенную роль в обогащении сусла растворимыми азотистыми веществами и способствуют хорошей фильтруемости пива. Следует обратить внимание, что под действием протеаз образуются аминокислоты, поэтому с технологической точки зрения протеазы имеют огромное значение для обеспечения оптимальной концентрации аминокислот, необходимых для питания дрожжей в ходе главного брожения. Тем самым они влияют и на прирост дрожжей, и косвенно на органолептические свойства пива. Оптимальное расщепление высокомолекулярных азотистых веществ в ходе приготовления сусла имеет большое значение для улучшения коллоидной стойкости пива. Гемицеллюлазы Ферменты комплекса гемицеллюлаз действуют на клеточные степени эндосперма зерна, снижая содержание некрахмалистых полисахаридов. Важнейшим из этой группы ферментов для пивоварения являются эндо-β-глюканаза, которая расщепляет 30 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) высокомолекулярный ß-глюкан. Гемицеллюлазы освобождают крахмал клеток для действия амилаз, белки – для расщепления протеолитическими ферментами, гидролизуют некрахмалистые полисахариды, что снижает вязкость и улучшает фильтрование охмеленного сусла. При этом увеличивается выход экстракта и улучшаются фильтруемость и качество пива. Промышленные ферментные препараты, которые имеют высокую активность гемицеллюлаз, и прежде всего эндо-β-глюканазы, рекомендуются для применения как при переработке больших количеств несоложеного сырья, так и при переработке плохо растворенного солода [5]. 4.3. Применение ферментов в производстве плодово-ягодных соков, безалкогольных напитков и вин Применение ферментных препаратов при производстве плодово-ягодных соков, вин и безалкогольных напитков осуществляется с целью повышения выхода сока, осветления и стабилизации соков, безалкогольных напитков и вин, предотвращения окислительных процессов в соках и в изготовляемых из них продуктах, а также для инверсии сахарозы при производстве безалкогольных напитков и сиропов. При этом в одних случаях необходимо иметь набор ферментных препаратов, содержащих определенный комплекс ферментов, в других – требуются препараты индивидуальных ферментов. Кроме того, ферментные препараты должны удовлетворять требованиям, предъявляемым технологией получения конкретного продукта, не только по типу катализируемой реакции, но и в отношении условий их протекания. В соответствии со спецификой плодово-ягодного сырья и целями применения ферментные препараты можно разделить на шесть групп: 1) препараты, предназначенные для получения неосветленных соков, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность; 2) препараты, предназначенные для получения осветленных соков, увеличивающие выход, повышающие экстрактивность и обеспечивающие полный гидролиз пектиновых и белковых веществ; 3) препараты, мацерирующие плодово-ягодную ткань, повышающие выход и гомогенность соков с мякотью; 4) препараты, предназначенные для получения осветленных плодово-ягодных виноматериалов, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность виноматериалов; 5) препараты, способствующие предотвращению окислительных процессов и развитию аэробных микроорганизмов в соках, винах, безалкогольных напитках; 6) препараты, катализирующие инверсию сахарных сиропов при производстве безалкогольных напитков и товарных сиропов. 31 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Применение пектолитических ферментов Основной биохимический процесс, протекающий в плодово-ягодной мезге и соке при их обработке пектолитическими препаратами или при совместном применении термической и ферментативной обработки, – гидролиз пектиновых веществ. Но наряду с этим происходят превращения белков, целлюлозы, гемицеллюлозы и других компонентов сырья. Поэтому ферментные препараты, используемые для получения полностью осветленного сока из большинства плодов и ягод, должны содержать не только пектолитические ферменты, но и ферменты, гидролизующие другие коллоидные соединения, которые обуславливают опалесценцию соков и нестабильность изготовляемых из них вин и безалкогольных напитков. С целью максимального извлечения сока и облегчения его осветления при гидролизе пектиновых веществ ягод и плодов необходимо учитывать свойства пектолитических ферментов самого сырья и вносимых препаратов. В зависимости от технологических требований и химического состава сырья следует применять препараты с определенным комплексом ферментов; имеется в виду как спектр ферментов (пектинэстераза, эндо-, экзополигалактуроназа и другие, а также сопутствующие ферменты), так и их соотношение. Кроме того, необходимо путем подбора режима обработки сырья создать оптимальные условия для действия ферментов [1]. Пектолитические ферментные препараты, применяемые для увеличения выхода и осветления соков, непригодны для производства соков с мякотью, так как основным ферментом в них является эндополигалактуроназа, резко снижающая вязкость сока. Гемицеллюлаза и целлюлаза способствуют получению однородной консистенции соков с мякотью. Применение мацерирующих ферментов При производстве плодово-ягодных соков с мякотью размельчение плодовой ткани осуществляется механическим путем. Большинство видов сырья перед механическим измельчением подвергается термической обработке. Термическая обработка способствует кислотному гидролизу протопектина, в результате чего плодовая ткань размягчается и легче поддается механическому измельчению. Очевидно, что жесткие режимы обработки сырья ухудшают органолептические свойства и пищевую ценность продукта. Поэтому соки с мякотью часто содержат недостаточно тонко измельченную мякоть, негомогенную и расслаивающуюся при хранении. С позиции устранения указанных выше недостатков и получения гомогенных целесообразным соков является с мякотью, применение не подвергающихся мацерирующих расслаиванию, ферментных препаратов, расщепляющих протопектин, но не снижающих вязкость сока. 32 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Применение глюкозооксидазы и каталазы Ферментный препарат глюкозооксидаза (в котором в качестве обязательного компонента присутствует каталаза) применяется с целью улучшения качества и стабилизации плодово-ягодных соков, вин и безалкогольных напитков за счет удаления кислорода в результате реакции окисления глюкозы. Таким образом, этот препарат способствует предотвращению окислительных процессов и микробиологической порчи под действием аэробных микроорганизмов. Препарат обладает строгой специфичностью по отношению к глюкозе, его вносят после завершения технологических процессов с целью стабилизации свойств продукта, полученного в процессе производства. Желательно, чтобы препараты были термостабильны и не инактивировались при температуре 65-70 °С в течение 10-15 мин. Такие препараты можно было бы применять комплексно с легкими режимами пастеризации. Ферментные препараты, применяемые в плодово-ягодном виноделии, должны сохранять активность в условиях определенного содержания алкоголя (до 10-12 %) и эффективно действовать при значениях pH, обусловленных химическим составом виноматериалов. Применение инвертазы Препараты, катализирующие гидролиз сахарозы при приготовлении сахарных сиропов, используемых при производстве безалкогольных напитков, должны содержать фермент инвертазу (ß-фруктофуранозидазу), не должны иметь специфического запаха, темного цвета, окислительных или других ферментов, способных изменять цвет, аромат и вкус продукта. Необходимо, чтобы препараты катализировали процесс инверсии сахарозы в довольно широком диапозоне pH (для чистого сахарного сиропа pH 6,0-6,5; для сахарного сиропа, изготовленного на фруктовых соках, pH 2,5-4,5). Кроме того, необходимо учитывать специфику биохимического состава сырья и особенности технологического процесса производства соков и виноматериалов. Ферментные препараты, применяемые при переработке плодово-ягодного сырья, могут оказывать влияние па цвет изготовляемого продукта. В связи с этим плодовоягодное сырье следует разделить на две группы: слабоокрашенное – яблоки, айва, белые сорта слив и винограда и другие; окрашенные в красный цвет, т.е. содержащие вещества группы антоцианов – кизил, черника, ежевика, малина, земляника, красные сорта винограда и слив и так далее. При производстве продуктов, относящихся к первой группе – слабоокрашенных – следует применять ферментные препараты, не содержащие окислительных ферментов, 33 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) вызывающих потемнение продукта, а в ряде случаев – снижение органолептических свойств и пищевой ценности, таких как полифенолоксидаза, пероксидаза, каталаза, аскорбатоксидаза. При переработке сырья второй группы – окрашенных в красный цвет – недопустимо применение препаратов, содержащих ферменты, разрушающие антоцианы. Препараты, предназначенные для переработки шиповника, черной смородины, ценность которых в значительной степени обуславливается наличием в плодах аскорбиновой кислоты, не должны содержать фермента аскорбатоксидазы, так как окисление аскорбиновой кислоты под действием этого фермента снижает ценность получаемого продукта [1]. 34 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Заключение Следует отметить, что ферменты занимают важное место среди добавок в рассмотренных и не только сферах пищевой промышленности. Универсальнось их действия на различные компоненты тех или иных продуктов, влияние на их ферментные комплексы позволяют воздействовать на самые разные стадии процесса приготовления качественного продукта с продолжительным сроком хранения, повышенной пищевой и энергетической ценностями, что особенно актуально в странах, где почти или полностью отсутствуют продукты, богатые жизненоважными витаминами, а также с улучшенными органолептическими свойствами, что немаловажно для ритма жизни современного человека. Активность применения ферментных препаратов объясняется их широким выбором, даже для узконаправленного и единичного применения. Препараты активно распространяются и производятся во многих государствах. Таким образом, ферментные препараты – это эффективное средство регулирования технологического процесса и прогнозирования качества готовой продукции, экономии сырьевых ресурсов. Однако ферменты и препараты на их основе находят применения не только в пизготовлении пищевой продукции, готовой сразу к употреблению, но и в производстве второстепенных продуктов сырья, пищевых ингридиентов, например, в улучшении качества жира, в синтезе эфиров жирных кислот, в производстве биотоплива. Можно положительно заметить, что не только потребитель, но и сам производитель относятся к применению ферментов положительно, в отличие каких-либо химических реагентов, так как они имеют природное происхождение. Таким образом, последние достижения науки открывают новые пути исследования известных ферментов, потенциал которых далеко не исчерпан, ведь они являются основой для промышленного внедрения ферментных препаратов с улучшенными свойствами. 35 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com) Список использованной литературы 1) А.П. Нечаева, Технология пищевых производств. – М.: КолосС, 2005. – 684 с. 2) Уайтхерст Р.Дж., М. ван Оорст: Ферменты в пищевой промышленности – Пер. с англ. д-р хим. наук С.В. Макарова. – СПб : Профессия, 2013. – 408 с. 3) Грачева, И. М.: Технология ферментных препаратов, И. М. Грачева, А. Ю. Кривова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Элевар, 2000. – 512 с. 4) Синельников Б.М., Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Рябцев С.А., Серов А.В.: Лактоза и ее производные. Науч. ред. акад. РАСХН А.Г. Храмцов. – СПб.: Профессия, 2007. – 768 с. 5) Капрельянц Л.В.: Использование ферментов в хлебопечении, Харчова наука і технологія. 2009. – 205 с. 6) Степычева, Н. В.: Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий. Ч. 1. Основы технологии хлебопекарного производства / Н. В. Степычева. - Иваново: ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2005. - 152 с. 36 Document shared on www.docsity.com Downloaded by: raspberries (shaforost.ira@gmail.com)
