Ферменты и ферментные препараты
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е.Алексеева
Дзержинский политехнический институт
Кафедра «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПИЩЕВАЯ ХИМИЯ»
«ФЕРМЕНТЫ И ФЕРМЕНТНЫЕ ПРЕПАРАТЫ»
Выполнил: студентка Логинова П. В.
Группа: 09-ПИМП
Проверил: преподаватель Пастухова Г.В.
г.Дзержинск, 2012
СОДЕРЖАНИЕ.
Введение…………………………………………………………
1История изучения ферментов………………………………………………………
2Классификация и номенклатура ферментов……………………………………………..6
3Ферментные препараты………………………………………………………
3.1Характеристика продукции, сырья и полуфабрикатов ферментных препаратов…..11
3.2Особенности производства и потребления готовой продукции……………………..13
4Применение ферментных препаратов в современной пищевой промышленности
и медицине…………………………………………………………
Заключение……………………………………………………
Список используемой литературы……………………………………………………
ВВЕДЕНИЕ.
Ферменты (от лат. fermentum – закваска), энзимы, специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Почти все биохимические реакции, протекающие в любом организме и в своём закономерном сочетании составляющие его обмен веществ, катализируются соответствующими ферментам. Направляя и регулируя обмен веществ, ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности.
Многие специалисты, например инженеры и врачи должны знать, что такое ферменты, их роль в организме, механизмы влияния активаторов и ингибиторов ферментов, регуляцию по типу обратной связи, что обеспечивает адаптацию организма к изменяющимся условиям, а также различия ферментного состава органов и тканей, так как при различных заболеваниях (инфаркт миокарда, вирусный гепатит, рак предстательной железы и др.) происходит изменение активности органоспецифичных (маркерных) ферментов. Определение уровня активности ферментов в сыворотке крови имеет важное значение в диагностике и в прогнозе заболеваний. Кроме того, необходимо знать о применении интактных и иммобилизованных ферментов в медицине в качестве лечебных препаратов, о роли ферментов в возникновении наследственных энзимопатий (фенилкетонурия, галактоземия и др.).
Все процессы в живом организме - дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, фотосинтез и другие - осуществляются с помощью ферментов. Ферменты находятся во всех живых клетках и составляют большую часть всех их белков. Они во много миллионов раз ускоряют самые разнообразные химические превращения, из которых складывается обмен веществ. Под действием различных ферментов составные компоненты пищи: белки, жиры и углеводы - расщепляются до более простых соединений, из которых затем в организме синтезируются новые макромолекулы, свойственные данному виду.
1ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ.
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
Более ста лет назад
термины фермент и энзим
Современные классификация и номенклатура ферментов были разработаны Комиссией по ферментам Международного биохимического союза и утверждены на V Международном биохимическом конгрессе в 1961 г. в Москве.
Необходимость систематики номенклатуры диктовалась прежде всего стремительным ростом числа вновь открываемых 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, гидролизирующие углеводы), липазы (действующие на липиды), протеиназы (гидролизирующие белки) и т.д.
До 1961 г. не было и единой
классификации ферментов. Трудности
заключались в том, что разные
исследователи за основу классификации
ферментов брали различные
2КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
Таким образом, тип катализируемой химической реакции в сочетании с названием субстрата (субстратов) служит основой для систематического наименования ферментов. Согласно Международной классификации, ферменты делят на шесть главных классов, в каждом из которых несколько подклассов: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы; 6) 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». Например, лактат: НАД+ оксидоредуктаза для лактатдегидрогеназы (ЛДГ).
Различают следующие основные оксидоредуктазы: аэробные дегидро-геназы 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 перекиси водорода.
Трансферазы. К классу трансфераз относят ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных атомов, групп атомов и радикалов. Наименование их составляется 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 относятся: зстеразы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза и синтеза сложных эфиров; гликозидазы, ускоряющие разрыв гликозидных связей; фосфатазы и пептидгидролазы, катализирующие гидролиз фосфоангидридных и пептидных связей; ами-дазы, ускоряющие разрыв амидных связей, отличных от пептидных, и др.
Лиазы. 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-малат-гидролаза») катализирует обратимое отщепление молекулы воды от яблочной кислоты с образованием фумаровой кислоты. В эту же группу входят декарбоксилазы (карбокси-лиазы), амидин-лиазы и др.
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 L-глутамат: аммиак лигазу (рекомендуемое сокращенное название «глутаминсинтета-за»), при участии которой из глутаминовой кислоты и аммиака в присутствии АТФ синтезируется глутамин
3ФЕРМЕНТНЫЕ ПРЕПАРАТЫ.
Использование в пищевой промышленности ферментных препаратов несомненно представляет собой одно из тех направлений, которое приведет коренной реорганизации и улучшению как технологии пищевого производства, так и качества всей его продукции. Препараты различных ферментов в настоящее время используются в 19—20 отраслях пищевой промышленности. Применение их быстро возрастает. 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 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 используются 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 используются 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.
Производство фруктозно-
При переработке фруктов и овощей широко используются 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 используются в производстве творога и сыра. 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.
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 Г10х используют при повышенных количествах несоложеного сырья и для улучшения качества сусла из некачественных солодов, а также для ликвидации коллоидных помутнений в пиве. Цитолитические препараты повышают выход экстракта за счет гидролиза некрахмальных полисахари-дов, в основном гемицеллюлозы. Одновременно повышаются качество сусла и стойкость пива.
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 о-дифенолоксидазы дубильные вещества чайного листа окисляются кислородом воздуха до темноокрашенных соединений, определяющих вкус, цвет и аромат черного чая. При этом то же действие о-дифенолоксидазы в макаронных изделиях приводит к их нежелательному потемнению.
Из культуры Аspergillus oryzae, осаждением органическими растворителями получают такадиастазу, ферментный препарат, содержащий кислую и нейтральную протеазы, L -амилазу, а также целлюлазы и пектиназы. Препарат используется для гидролиза соевого белка, при изготовлении очень популярного в восточных странах соевого соуса.
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.
3.1ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКЦИИ, СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ.
Ферментные препараты представляют собой концентраты ферментов, полученные с помощью микроорганизмов, содержащие в своем составе наряду с ферментами балластные вещества. Ферментные препараты применяют в пищевых производствах как катализаторы соответствующих биохимических процессов.
В качестве продуцентов ферментов используют разнообразные источники: растения, животные ткани и микроорганизмы. Основные промышленные микроорганизмы для производства ферментных препаратов — это микроскопические грибы рода Aspergillus, Rhizopus Penicillium и другие, а также бактерии рода Bacillus и актиномицеты. Они являются активными синтезаторами амилолитических, протеолитических, пектолитических и других ферментов.
Способностью активно
продуцировать
Микроорганизмы культивируют на средах, богатых углеводами, азотистыми и минеральными веществами, витаминами.
В производстве ферментных препаратов используют синтетические и комплексные среды, являющиеся смесью синтетических сред с естественными материалами растительного, животного и микробного происхождения.
Синтетические среды готовят из различных минеральных солей и органических соединений, являющихся источником углерода — углеводов, спиртов, органических кислот. В качестве естественных материалов применяют отходы пищевых производств: отруби, мелассу, жмыхи, кукурузный экстракт, солодовые ростки, пивные дрожжи, зерно-картофельную барду и др.
Для накопления ферментов в культуральной среде необходимо обеспечить оптимальные условия для их синтеза: состав среды, температуру, значение рН, снабжение клеток кислородом воздуха.
Для нужд пищевой промышленности вырабатываются амилолитические ферментные препараты Амилоризин П10х и Амилосубтилин Г10х. Препараты представляют собой тонкоизмельченные порошки бежевого или светло-серого цвета влажностью не более 13 %. Они хорошо растворимы в воде без постороннего запаха и вкуса. В состав Амилоризина П10х входит комплекс ферментов с превалирующим действием α-амилазы.
В качестве сопутствующих имеются протеолитические ферменты, мальтаза, Р-эндополиглюканаза и др.
Стандартные уровни ферментативной активности промышленного ферментного препарата (ФП) Амилоризин П10х составляют, ед/г, не менее: амилолитическая способность (АС) — 2000; осахаривающая способность (ОС) — 1000; протеолитическая активность (ПА) — 30 при рН 4,7...5,4 и температуре 40...45 °С.
Амилосубтилин Г10х представляет собой очищенный ФП, образуемый Вас. subtilis. Препарат содержит α-амилазу, β-глюканазу и протеазу. АС этого препарата не менее 3000 ед/г, а ПА — не более 2 ед/г. Оптимальные для действия Амилосубтилина Г10х условия: рН 6,0.. .6,3; температура 50.. .55 °С. Бактериальная α-амилаза по сравнению с грибной обладает более высокой термостабильностью.
Протосубтилин Г10х отличается высокой протеолитической активностью. Это порошок светло-серого или светло-бежевого цвета с влажностью не более 13 %, характеризуется ПА не менее 70 ед/г.
Протеолитические ферментные препараты используют в мясной промышленности для мягчения мяса, придания ему нежного вкуса и консистенции; в молочной промышленности — для получения гидролизатов белков молока, в пивоварении — для стабилизации пива от помутнения и др.
3.2ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ.
Поверхностный и глубинный способы выращивания продуцентов ферментов.
Очистка ферментов.
Применяют два способа
выращивания продуцентов
Поверхностный способ предусматривает выращивание микроорганизмов на поверхности твердых, жидких, полужидких или сыпучих материалов. Этот способ создает хорошие условия для максимального контакта микроорганизмов с кислородом воздуха. Его используют в основном при выращивании мицелиальных грибов.
Глубинный способ предусматривает выращивание микроорганизмов на жидких средах. Этот способ применяют преимущественно при использовании в качестве продуцентов ферментов бактерий и других микроорганизмов, способных интенсивно развиваться в условиях недостаточного контакта клеток с кислородом. Он может быть применен и для культивирования аэробных микроорганизмов, какими являются плесневые грибы и некоторые бактерии, но для этого необходимо интенсивно аэрировать среду.
При поверхностном способе
культивирования оптимальная
Микроорганизмы синтезируют различные ферменты в определенной последовательности. Так, например, при использовании грибов Asp. orizae максимальное количество амилаз накапливается за 21.. .30 ч, образование же цитолитических ферментов начинается значительно позже и для максимального накопления этих ферментов требуется увеличить длительность культивирования до 48 ч.
Регулируя состав питательной среды, условия и длительность культивирования, можно достичь превалирующей активности одного фермента в комплексе ферментов препарата.
Температура культивирования зависит от видовых особенностей микроорганизмов и колеблется в широких пределах. Для равномерного распределения клеток по объему аппарата, улучшения их контакта с питательными веществами, обеспечения отвода от клеток продуктов их жизнедеятельности осуществляют перемешивание культуральной среды.
При получении культуры поверхностным способом ферменты из питательной среды экстрагируют водой, отделяют экстракт от твердой фазы, сгущают до концентрации сухих веществ 50 % или высушивают.
При глубинном культивировании отделяют клетки микроорганизмов от культуральной жидкости фильтрацией или центрифугированием. Фильтрат или центрифугат сгущают до концентрации сухих веществ 40 % или высушивают.
Полученные таким образом технические ферментные препараты могут использоваться в жидком виде или в виде порошка.
Для очистки ферментов
применяют осаждение их из водных
растворов органическими
Наименование ферментных препаратов сочетает в себе сокращенное название основного фермента, активность которого в препарате преобладает, и видовое название микроорганизма-продуцента. Так, препарат, в котором превалирующим ферментом является амилаза, синтезированная мицелиальным грибом Asp. oryzae, называют амилоризином, если применялась культура Вас. subtilis — амилосубтилином.
В наименовании препарата
отражаются способ культивирования
микроорганизмов, степень очистки
препарата и степень
Стадии технологического процесса. Ввиду перспективности остановимся на глубинном способе культивирования. Производство ферментных препаратов глубинным способом на жидких питательных средах можно разделить на следующие стадии:
— приготовление, стерилизация и охлаждение питательной среды;
— приготовление посевного
материала и выращивание
— отделение и сушка биомассы;
— фасовка отходов и отделение фильтрата;
— концентрирование и сушка концентрата;
— осаждение, сушка и стандартизация препарата;
— фасование препарата.
Характеристика комплексов оборудования. Линия начинается с комплекса оборудования, в состав которого входят циклон-разгрузитель, экстракторы, стекатель, шнек-пресс, ленточный вакуум-фильтр, смеситель, а также нагревательная колонка, выдерживатель и теплообменники. В состав линии входит комплекс оборудования, состоящий из инокулятора и ферментатора. Следующий комплекс оборудования представляют камерный фильтр-пресс и барабанная сушилка. Далее следует комплекс оборудования для фасования и упаковывания ферментных препаратов, а также сепараторы. Ведущим является комплекс оборудования, включающий вакуум-выпарные аппараты и распылительные (сублимационные) сушилки. Завершающий комплекс оборудования линии состоит из установки непрерывного осаждения, аппарата обсушки препарата, центрифуги, барабанной вакуум-сушилки, установки для измельчения и смешивания.
Финишным комплексом оборудования являются фасовочные машины. Машинно-аппаратурная схема линии производства ферментных препаратов глубинным способом на жидких питательных средах представлена на рис.
Рис. Машинно-аппаратурная схема линии производства ферментных препаратов на жидких питательных средах глубинным способом
Устройство и принцип действия линии. В соответствии с компонентным составом питательных сред производят их предварительную подготовку и смешивание. Например, для получения питательной среды используют свекловичный жом, который через циклон-разгрузитель 1 и циклон чистки воздуха 2 направляется на весы 3 и далее в экстрактор 4 свекловичного жома. Полученный экстракт насосом перекачивается в стекатель 5, шнек-пресс для отжима 6 и далее в смеситель 20, куда подводят питание соли и остальные компоненты с таким расчетом, чтобы при последующем соединении этих растворов была достигнута требуемая регламентом концентрация в среде.