Ферментативная переработка растительного сырья Ферменты, трансформирующие органическое сырье
Ферменты, участвующие в трансформации органического сырья, можно условно разделить на четыре группы:
- ферменты, содержащиеся в сырье;
- ферменты сопутствующей микрофлоры сырья;
- ферментные системы культурных штаммов микроорганизмов - возбудителей брожения, продуцентов органических кислот, аминокислот, витаминов, ферментов, пищевого белка и пр.;
- ферментные препараты (растительного, микробного и животного происхождения).
Гидролитические процессы
Основной продукцией ферментной промышленности являются препараты гидролаз, таких как целлюлаза, амилаза, протеаза, пектиназа.
Гидролитические ферменты используются преимущественно в начальной, наиболее трудоемкой стадии переработки органического сырья, когда необходимо расщепить структурные или запасные полимеры, фрагменты которых далее подвергаются трансформации под действием ферментов других классов.
Субстраты гидролитических ферментов - полисахариды, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и другие природные соединения, содержащие «ангидридные» связи, составляют основную массу органической материи на планете. Реакция гидролиза протекает по следующему уравнению:
Наибольшее применение в процессах промышленного биокатализа нашли гидролазы:
Эстеразы - расщепляют моно-, ди-, триглицеролы и другие соединения, содержащие сложноэфирную связь.
Липазы - предпочтительно гидролизует сложноэфирную связь при С1 и С3 глицерола.
Гликозидазы - гидролизуют гликозидные связи определенной пространственной конфигурации (α или β), но не обеих одновременно. (α-амилаза, β-глюканаза).
Пептидгидролазы - расщепление пептидных связей, образованных характерными аминокислотами.
По характеру протекания процесса расщепления субстрата гидролазы делят на два типа: эндо- и экзоферменты. Эндоферменты катализируют неупорядоченное расщепление внутримолекулярных связей полимерной молекулы с образованием в начальной стадии гидролиза крупных фрагментов различной величины. Эндорасщепление приводит к быстрому снижению молекулярной массы субстрата и вязкости его растворов. Экзоферменты катализируют последовательное отщепление фрагментов равной величины, чаще всего мономеров или димеров, от определенного конца полимерной молекулы. При этом молекулярная масса субстрата и вязкость его раствора снижаются относительно медленно.
Типы гидролитических процессов.
Наиболее простыми являются процессы гидролитического расщепления индивидуальных низкомолокулярных водорастворимых субстратов, например, олигосахаридов (сахарозы, мальтозы, лактозы, рафинозы и др.).
Высокомолекулярные субстраты полисахаридной природы, дающие истинные или коллоидные растворы в воде, такие как крахмал, гликоген, пектин, инулин, гемицеллюлозы (глюканы, маннаны, ксиланы, галактаны и др.) не являются индивидуальными соединениями. Однако такие характерные черты, как состав мономеров, наличие определенных типов гликозидных связей в основной и боковых цепях, позволяют рассматривать такие полимеры как единый субстрат.
Гидролиз высокомолекулярных водорастворимых полисахаридов проводят с помощью одного или более ферментов в зависимости от необходимого типа и степени расщепления. Известны индивидуальные ферменты, способные полностью гидролизовать высокомолекулярные полисахариды. На практике для частичного гидролиза полисахаридов обычно используют один фермент эндотипа, а полный гидролиз проводят комплексом эндо- и экзоферментов, используя их последовательно или совместно в зависимости от свойств ферментов.
При производстве пищи задача гидролиза одного вида белка обычно не ставится. Белковые субстраты представляют собой смесь белков: например, соевый белок, молочный белок и др. Белковые субстраты почти всегда могут быть переведены в состояние гомогенного коллоидного раствора, поскольку все белки набухают и растворяются в щелочной среде (достаточная концентрация щелочи 0,1-0,2 %). Это снимает ограничения процесса гидролиза, имеющие место в гетерогенных системах. Для глубокого гидролиза белка обычно используют комплексы протеолитических ферментов, что связано с большим разнообразием типов пептидной связи в белках (сочетаний аминокислотных остатков, образующих связь).
Гидрофобные субстраты (жиры) гидролизуют в виде водных эмульсий. Скорость гидролиза определяется степенью дисперсности жира, поскольку ферментативная реакция проходит на поверхности раздела фаз. Для эмульгирования жиров используют поверхностно-активные вещества. Глубокий гидролиз триглицеридов можно провести с помощью индивидуальной позиционно неспецифичной липазы, если ее жирнокислотная специфичность соответствует составу субстрата.
В технологии пищевых продуктов распространены процессы гидролиза смеси нескольких субстратов различной природы. Это процессы гидролиза нефракционированного растительного сырья (зерна, солода, зеленой массы растений, плодов, овощей), различных видов мясных отходов, биомассы микроорганизмов и др. Они используются при получении продуктов брожения, соков, пектина, хлебобулочных изделий, сыров, пищевого и кормового белка, ферментированных кормов, питательных сред для культивирования микроорганизмов.
Некоторые из этих процессов, такие как осветление напитков, проводятся в однородных средах или в средах с небольшим содержанием взвешенной фазы. Другие, и их большинство, осуществляются в гетерофазных системах. Гетерофазные системы высокой степени дисперсности в условиях постоянного перемешивания, исключающего разделение фаз, в некоторых отношениях подобны гомогенным системам. В высокодисперсных системах все субстраты равнодоступны действию ферментов. Равная доступность субстратов позволяет осуществлять выборочный гидролиз одних, не затрагивая других, а при необходимости гидролиза нескольких субстратов провести его в одну стадию.
Раздельная (постадийная) обработка ферментами проводится в тех случаях, когда наблюдается ингибирование действия одного фермента продуктами реакции, катализируемой другим, или при существенных различиях оптимальных условий действия отдельных ферментов.