Контрольная работа по "Технике Ферментных препаратов"

                        МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

   МОСКОВСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ 

   КИРОВСКИЙ ФИЛИАЛ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 

ПО ТЕХНОЛОГИИ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ 
 
 

9 ВАРИАНТ 
 
 
 
 

   Выполнила студентка гр. БТЗ-63  -------------------- /Федотова Л.А./ ------------

   Проверил                                      -------------------- /Роман В.В.../ ---------------- 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Киров 2011г. 
 

1.   Характеристика активности ферментных препаратов, номенклатура ферментных препаратов. 
 

Ферменты являются веществами белковой природы, поэтому в смеси с другими белками определить их количество невозможно. Наличие определенного фермента в данном препарате может быть установлено по результатам той реакции, которую катализирует фермент, т. е. по количеству образовавшихся продуктов реакции или уменьшению исходного субстрата. В количественном выражении условно активность фермента определяется по начальной скорости ферментативной реакции. Начальная скорость зависит от многих факторов, наиболее важные из них - температура, концентрация субстрата, рН реакционной смеси и время от начала реакции. Поэтому по предложению Комиссии по ферментам Международного биохимического союза были приняты правила определения активностей препаратов и их выражения в единицах активности.

Стандартная единица активности. Эта величина для любого фермента обозначает то количество его, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в 1 мин при заданных регламентированных условиях. На русском и немецком языках эта единица обозначается буквой Е, на английском, французском, итальянском и испанском - U. Часто количество субстрата нельзя выразить числом микромолей, так как точно не известна масса молекулы, например, при действии на белок, крахмал, пектин, целлюлозу. В этих случаях определяют микроэквивалент затронутых реакцией групп. Так, при гидролизе белка учитывают не число прогидролизованных молекул, а число образовавшихся свободных карбоксильных или аминных групп, т. е. число расщепленных пептидных связей; при гидролизе крахмала и полисахаридов - число прогидролизованных глюкозидных связей и т. д.

Комиссия по ферментам рекомендовала придерживаться определенных условий при установлении активности фермента: стараться вести определение при температуре 30 °С и определять активность по начальной скорости реакции, когда концентрация субстрата достаточна для насыщения фермента и соответствует кинетике реакции нулевого порядка. Концентрации субстрата, фермента и рН выбирают оптимальными для данного фермента.

Если количество прореагировавшего субстрата очень мало или велико, допускается выражение результатов в миллиединицах (мЕ или мU) и килоединицах (кЕ и кU).

Активность ферментных препаратов. Содержание фермента в данном препарате условно выражается в стандартных единицах активности фермента на 1 мл ферментного раствора или 1 г препарата. Активность ферментного препарата выражается в микромолях субстрата, прореагировавшего в присутствии 1 мл ферментного раствора или 1 г препарата в заданных условиях за 1 мин. Число микромолей и будет равно числу стандартных единиц. Если фермент гомогенен, то его удельная активность может быть выражена в стандартных единицах на 1 мг фермента: если же препарат содержит балласт в виде неактивного белка, его удельная активность выражается в стандартных единицах на 1 мг белка в ферментном препарате. Молекулярная активность представляет собой число миллимолей субстрата или эквивалентов затронутой реакцией групп, прореагировавших в течение 1 мин с 1 ммоль фермента при оптимальных концентрациях субстрата, или число стандартных единиц, содержащихся в 1 ммоль фермента.

Если фермент содержит характерную простетическую группу или несколько каталитических центров, которые поддаются измерению, его активность можно выразить в величинах активности каталитического центра. Такая активность будет соответствовать молекулярной активности, если молекула фермента имеет один активный центр; если же число каталитических центров п, то активность одного центра будет в п раз меньше молекулярной.

Активность условного препарата. В технологии ферментов помимо общепринятых понятий об активности ферментных препаратов принято пользоваться понятием активности условного ферментного препарата. Это необходимо для оценки работы предприятия, сравнения его с другими аналогичными заводами, т. е. для сопоставления показателей по всем видам выпускаемой продукции. Для осуществления этого пересчета предполагают, что предприятие выпускает товарную продукцию в виде стандартного препарата с точно определенной активностью, измеряемой по основному ферменту в стандартных единицах в препарате на единицу массы препарата. Активность основного фермента в таком стандартном условном препарате устанавливается нормативами и называется активностью условного препарата.

За 1 усл, т ферментного препарата принимается 1 т препарата со стандартной активностью. Для пересчета выработанной товарной продукции в условные тонны можно пользоваться формулой

где - количество условного препарата, т; - количество товарного препарата, т; - фактическая активность товарного препарата, ед./г; - активность условного препарата, ед./г.

Номенклатура ферментных препаратов. 

Ферментология очень долго не располагала строго научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и характеру субстрата. 

Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсис -- пищеварение), трипсин (от греч. трипсис -- разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен). По действию все эти ферменты являются протеолитическими, т. е. ускоряют гидролиз протеинов (белков). Характерное название была дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, -- цитохромы (от лат. citos -- клетка и chroma -- цвет). 

Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата характерного окончания -- аза. Она была предложена более столетия тому назад, в 1883 г. Э. Дюкло -- учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон -- крахмал), гидролиза жиров -- липаза (от греч. липос -- жир), белков (протеинов) -- протеаза, мочевины -- уреаза (от греч. уреа -- мочевина) и т.п. 

Когда методами аналитической химии были достигнуты известные успехи в расшифровке химической природы простетических групп, возникла новая номенклатура ферментов. Их стали именовать по названию простетической группы, например, геминфермент (простетическая группа -- гем), пиридоксальфермент (простетическая группа -- пиридоксаль) и т.п. 

Затем в названии фермента стали указывать как на характер субстрата, так и на тип катализируемой реакции. К примеру, фермент, отнимающий водород от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и химическую природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе ферментативного действия. 

В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V Международному биологическому конгрессу проект номенклатуры, построенный на строго научных принципах. Проект был утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в ферментологию. Согласно этой (Московской) номенклатуре название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое наименование акцептора. 

Например, пиридоксальфермент, катализируюший реакцию переаминирования между L-аланином и a-кетоглутаровой кислотой, называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза. В этом названии отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является L-аланин; 2) акцептором служит 2-окcоглутаровая кислота; З) от субстрата к акцептору передается аминогруппа. 

Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых, тривиальных. Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза -- мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре именуется карбамид -- амидогидролазой. 

В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и указано, что фермент катализирует реакцию гидролиза амидогруппы. Трегалаза, ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трегалоза-1-глюко-гидролазой. 

В связи со значительным усложнением научных названий в новой номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных, рабочих названий ферментов. Международной комиссией был составлен детальный список всех известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972 г. при пересмотре как классификации, так и номенклатуры некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции и в некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается возможность путаницы в наименовании ферментов. В 1964 г. список включал 874 фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до 1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г. 

Каждому ферменту в указанном списке присвоен индивидуальный номер (шифр). Например, шифр уреазы выражается цифрами 3.5.1.5. Это означает, что уреаза относится к 3-му классу (первая цифра) ферментов, все представители которого катализируют реакции гидролиза. Вторая цифра (5) говорит о том, что уреаза принадлежит к 5-му подклассу этого класса, куда зачислены все ферменты, ускоряющие гидролиз С-N-связей, не являющихся пептидными. Третья цифра шифра (1) указывает на принадлежность уреазы к подподклассу 5-го подкласса, члены которого ускоряют гидролиз линейных амидов, а последняя цифра (5) -- порядковый номер уреазы в этом подподклассе. 

Упоминавшаяся ранее лактатдегидрогенеза имеет шифр 1.1.1.27, т. е. относится к 1-му классу ферментов (оксидоредуктазы), к 1-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СН -- ОН-группировки в качестве доноров атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит никотинамида-дениндинуклеотид) и занимает 27-е место в перечне ферментов упомянутого подподкласса. Таким образом, шифр абсолютно точно указывает место фермента в общем списке. В настоящее время принято в научных публикациях при первом упоминании фермента указывать в скобках его шифр. 
 
 
 
 

2. Экстракция  ферментов.

Все ферменты являются водорастворимыми белками, поэтому наилучшим экстрагентом для них является вода. Для извлечения ферментов из дрожжей или бактерий необходимо подвергнуть механическому или автолитическому разрушению их клеточные стенки, обладающие высоким диффузионным сопротивлением. Оболочки мицелиальных нитей имеют меньшее диффузионное сопротивление, чем оболочки бактериальных и дрожжевых клеток, поэтому дезинтеграции культуры грибов не требуется.

Извлечение ферментов проводят как из влажных, так и из сухих поверхностных культур грибов. Сухая культура может храниться длительное время без потери активности ферментов, и из нее получают более концентрированные экстракты. Технологически это выгоднее, но при подсушивании культуры имеют место потери активности, и потому экстрагирование целесообразно вести из влажной культуры. При экстрагировании различные водорастворимые вещества извлекаются из культуры с неодинаковой скоростью, происходит их частичное фракционирование, удельная активность ферментов в экстракте повышается в 3,5 - 4 раза по сравнению с исходной культурой в результате отделения большой части веществ (до 75 %) с нерастворимым остатком - биошротом.

На полноту экстрагирования ферментов из культур оказывают влияние многие факторы: температура, рН, длительность процесса, конструктивные особенности экстракционных аппаратов, природа извлекаемого фермента, количество отобранного экстракта с единицы массы загруженной в аппарат культуры и т. д.

Одновременно с ферментами экстрагируются многие другие соединения, и часто скорость извлечения балластных веществ больше скорости экстрагирования из культуры целевого фермента. Поэтому рациональнее пойти на некоторые потери фермента и закончить экстрагирование на оптимальном значении отношения активности фермента в экстракте к сумме извлекаемых веществ. Этот вопрос решается экспериментально для каждого вида продуцента.

Влиять на процесс экстрагирования с помощью такого фактора, как температура, практически невозможно, так как ферменты очень термолабильны и инактивируются даже при 35 - 40 °С . Кроме того, повышение температуры до 35 - 40 °С влечет за собой увеличение содержания сухого вещества в экстракте и уменьшение удельной ферментативной активности на 1 г сухого вещества, повышение опасности инфицирования экстрактов. Поэтому при проведении экстракции в заводских условиях стремятся подавить развитие микрофлоры путем максимального снижения температуры воды до 22 - 25 °С и применения антисептиков (формалин, бензол, толуол, хлороформ и др.). В большинстве случаев ферменты наиболее полно извлекаются при рН 5 - 7.

Для получения концентрированных экстрактов при небольших потерях ферментов с биошротом необходимо применять специальные экстракционные установки. Ранее широко использовались диффузионные батареи. В них можно получить экстракт с содержанием сухого вещества от 7 до 14 % в зависимости от вида культуры, среды и величины отбора экстракта. Но эти установки для экстрагирования ферментов из поверхностной культуры имели сравнительно небольшую производительность, требовали больших затрат ручного труда, и в них наблюдались сравнительно большие потери активности.

Более перспективным в этом отношении является экстрактор непрерывного действия фирмы «Ниро Атомайзер» (Япония), работающий под избыточным давлением .              Экстрактор представляет собой наклонную цилиндрическую емкость, снабженную двумя шнеками, теплообменными рубашками и насосами. Культура через дозирующее устройство 5 подается внутрь цилиндра, а с противоположной стороны вводится растворитель (вода). Экстракт выходит из установки через самоочищающийся фильтр, а биошрот удаляется с противоположного конца. В случае необходимости, если ферменты экстрагируются не полностью, можно осуществлять двухступенчатое экстрагирование, увеличивая длительность процесса. Вторичный экстракт может быть использован в качестве растворителя для первой ступени экстрагирования. Общая продолжительность экстрагирования регулируется частотой вращения шнеков. Вторичный биошрот используется как компонент среды или после обеспложивания в кормопроизводстве. 
 
 
 
 
 

3.    Применение  ферментов  в  производстве хлеба. 

                Каталитическое действие ферментов используется человеком при производстве продуктов питания и напитков с глубокой древности. Промышленное производство ферментных препаратов началось почти 100 лет тому назад. Первоначально оно было основано на выделении ферментов из сырья растительного и животного происхождения, позже для этих целей стали использовать микроорганизмы. Сегодня большинство ферментов получают в промышленных масштабах с помощью микроскопических грибов и бактерий в специальных аппаратах - ферментаторах в строго контролируемых условиях.

          Рассмотрим некоторые аспекты использовании ферментных добавок в производстве хлебобулочных и кондитерских изделий. Применение ферментов в хлебопечении дает возможность прежде всего сбалансировать содержание этих природных катализирующих соединений в зерне разных урожаев, что обеспечивает стандартизацию и постоянство свойств муки. Однако ферменты способны еще и заменять различные применяемые в хлебопечении и кондитерском производстве химические агенты.  

Действие ферментов в тесте  

         Как известно, мука содержит три важнейших компонента: крахмал, белок клейковины и пентозаны. Тесто созревает в процессе поглощения воды и является основой всех хлебопродуктов. Вместе с тем компоненты муки поглощают влагу неодинаково. Крахмал, на долю которого приходится 68% массы пшеничной муки, впитывает лишь 50% влаги. Клейковина (содержание которой в муке около 12%) адсорбирует 27% воды, а пентозаны, которых в муке всего лишь 3%, поглощают 12% влаги.

         Легко понять, почему модификация теста и прежде всего названных выше компонентов в такой степени влияет на созревание теста и качество готовых изделий. Соотношение крахмала, белка клейковины и пентозанов должно быть оптимальным. Как известно, ферменты, присутствующие в самом зерне, всегда участвуют в процессе получения хлебопродуктов. Амилазы расщепляют крахмал до сахаров, которые служат питательными веществами для дрожжевой клетки; протеазы разрыхляют весьма плотную структуру белка клейковины. Однако уровень нативных ферментов в муке подвержен колебаниям в связи с условиями выращивания зерна, что влияет на отклонение свойств хлеба от принятых стандартов. В какой-то мере обогатить тесто ферментами можно путем внесения осоложенной муки или растительного сырья, однако спектр действия и соотношение ферментов в таких добавках не всегда соответствует требованиям современных технологий и потребителей.

         Ферменты микробного происхождения полностью устраняют зависимость пекаря от непостоянства состава исходного сырья и в каждом конкретном случае позволяют выбрать наиболее подходящую пропорцию амилаз и протеаз. При этом еще можно улучшить стабильность и подъем теста благодаря гемицеллюлазам.

         Амилазы расщепляют цепочку крахмала до декстринов и отдельных сахаров, усиливают созревание теста, благотворно влияют на формирование вкуса и обеспечивают субстратом дрожжи. Протеазы ослабляют белок клейковины и придают тесту эластичность. Гемицеллюлазы и пентозаназы придают тесту большую стабильность и увеличивают его подъем.

         Существует несколько теорий, объясняющих действие гемицеллюлаз. Суть их сводится к тому что ферменты этой группы разрывают полимерные молекулы нерастворимых пентозанов пшеницы до растворимых высокомолекулярных фрагментов. Последние характеризуются высокой водосвязывающей способностью и взаимодействуют с белками, образуя стабильные белковые пены с развитыми заполненными воздухом порами. В результате тесто становится устойчивым к оседанию и при выпечке хорошо поднимается.

         Гемицеллюлазы, используемые в хлебопечении, получают из микробных культур рода Aspergillus. Причем такие ферментные добавки лучше адаптированы к рН теста и обеспечивают отличную стабильность и великолепное качество французского белого хлеба. А вот гемицеллюлазы, синтезированные микроскопическими грибами рода Trichoderma, делают тесто очень мягким благодаря тому, что расщепляют гемицеллюлозу до более мелких остатков. При этом очень значительно понижается вязкость суспензий из пшеничной и рисовой муки, что весьма желательно для приготовления теста для печенья и вафель.

         Новый для хлебопечения фермент - трансглютаминаза - способствует образованию поперечных связей между молекулами клейковинного белка и таким образом улучшает реологические свойства теста в процессе выпечки. Прекрасно дополняя другие хлебопекарные ферменты, трансглютаминаза усиливает белок клейковины и способствует формированию оптимальных характеристик теста.  

Стабилизация теста  

         Наглядным и вместе с тем простым способом определения стабилизирующего эффекта ферментов на тесто является так называемый тест на оседание. Тест на форму для выпечки, заполненную тестом, ставят на две деревянные дощечки, которые затем резким движением убирают, и тесто оседает под собственной тяжестью . При последующей выпечке стабильность теста легко определить визуально по относительному подъему.

          Стабилизирующее действие ферментов также используют при изготовлении изделий с высоким содержанием клетчатки. К примеру, при большом содержании в рецептуре отрубей нарушается оптимальное соотношение крахмала, глютена и пентозанов, что приводит к ухудшению свойств муки. В присутствии ферментных добавок основные компоненты муки стабилизируются и влияние клетчатки не сказывается на результате выпечки.

          В последние годы все больше пекарей применяют для изготовления хлебобулочных и кондитерских изделий тесто замедленного брожения и замороженные тестовые заготовки. В таких технологиях тесто замораживают, когда оно находится в процессе ферментации или после предварительного сбраживания. Естественно, охлаждение и хранение при отрицательных температурах сильно влияет на свойства дрожжевого теста и в таких экстремальных условиях на помощь снова приходят ферментные добавки.  

Сохранение свежести хлеба  

          Ежегодно огромное количество готового хлеба и изделий из теста выбрасывается поскольку продукты черствеют. Наиболее часто причиной очерствения считается так называемая ретроградация крахмала - процесс восстановления и образования новых водородных связей между цепочками олигосахаридных остатков. В результате структура кристаллизуется, что и вызывает ощущение черствости хлеба. Если же исключить процесс рекомбинации водородных связей, то продукт дольше останется мягким и свежим.

          Помимо высокоспецифичных крахмалрасщепляюших амилазных добавок предлагаются ферментные препараты, обладающие вторичной активностью и оказывающие влияние на структуру теста и увеличение срока хранения. Такие ферменты модифицируют крахмал и другие компоненты, подавляя процесс ретроградации.

          При изготовлении пирожков и крекеров очень важно, чтобы структура белка в тесте стала пластичной и прочной, а эластичность ослабла. В ряде других изделий, наоборот, желательно чтобы белок клейковины размягчился. В обоих случаях ферментные добавки дадут идеальный эффект.

          В отличие от грибных протеаз, которые ограниченно расщепляют определенные связи в молекуле клейковинного белка, бактериальные протеазы и папаин воздействуют на структуру клейковины интенсивнее; в итоге тесто получается более податливым.

          Добавление ферментов очень благоприятно сказывается при изготовлении вафель. Для получения взбитого жидкого вафельного теста (суспензии муки в водной среде) нужна мука с низким уровнем белка. Внесение протеаз как раз способствует расщеплению белка клейковины и препятствует коагуляции протеина. Тесто получается без комочков и не забивает форсунок при заливке в формы для выпечки. Энзиматические препараты благотворно влияют на вязкость вафельного теста даже при пониженном содержании воды, что обеспечивает снижение энергозатрат на перекачку теста и выпаривание влаги при сушке. Готовые вафельные листы получаются однородными и менее ломкими.  

Замена химических агентов  

          Раньше при подготовке теста для достижения определенных реологических характеристик широко практиковалось добавление различных химических веществ. В ряде стран многие пекари до сих пор их применяют (к примеру, в качестве окислителя берут бромат калия). Однако помимо окисляющего эффекта бромат калия вызывает образование дисульфитных связей в белках клейковины, при этом повышается прочность теста. В результате при замесе увеличивается расход энергии, а при выпечке в присутствии бромата калия тесто сильно поднимается.

          Несколько ослабить тесто можно, если внести в ходе замеса аскорбиновую кислоту. Но с этой же целью лучше добавить фермент, что способствует релаксации и стабилизации теста. При этом также снизятся энергозатраты на замес, а тесто хорошо поднимется естественным образом.

          В практике хлебопечения часто в качестве восстановителя используют метабисульфат, который в отличие от бромата калия гидролизует дисульфидные мостики в белке. Взамен метабисульфата предлагаются протеазы, тогда тесто получается очень послушным и из него легко делать пирожки.

          Замена эмульгаторов. Эмульгаторы, входящие в состав хлебопекарных улучшителей, представляют собой соединения, гомогенизирующие тестовую массу В большинстве своем они являются химическими агентами, и исследователи активно пытались заменить их природными биологическими веществами. Ими стали трансглютаминазы в сочетании с другими ферментами. В отличие от многих технических ферментных препаратов, которые в основном вызывают гидролиз, трансглютаминазы образуют новые связи между аминокислотами. Они катализируют реакцию переноса апильного остатка между лизином и глютамином, что усиливает пептидные цепочки и стабилизирует структуру белка.

         Надо сказать, что в последнее время развитие технологий, применяемых в хлебопекарной отрасли, в большой степени обусловлено внедрением разнообразных улучшителей, обогатителей. Ежегодно разрабатываются и внедряются сотни новых ингредиентов, среди них ферментные препараты и добавки отличаются рядом преимуществ. Главные из них - природное происхождение и высокая специфичность действия, что позволяет обеспечивать абсолютную экологичность готовых продуктов и отсутствие отрицательных эффектов, проявляющихся на поздних стадиях технологии. Кроме того, в практической деятельности ферменты позволяют пекарям расширить ассортимент своего предприятия и сэкономить как сырье, так и энергоносители.