Раздел IV. Качество, технологии и безопасность пищи

30.2. Биотехнологические основы глубокой переработки сельскохозяйственного сырья

Перспективным направлением совершенствования технологических процессов в перерабатывающих отраслях пищевой промышленности является использование высокоактивных биологических катализаторов, способствующих существенному увеличению выхода, улучшению качества и продлению сроков хранения готовой продукции.

Пищевая промышленность является важным потребителем ферментных препаратов. Наиболее масштабно используют ферментные препараты микробного происхождения в спиртовой и пивоваренной отраслях (порядка 60% от общего объема ферментных препаратов), хлебопекарной, кондитерской, крахмалопаточной отраслях промышленности (до 20%), а также в кормовой промышленности. Применение отечественных биокатализаторов позволит не только интенсифицировать существующие биотехнологические процессы в пищевой промышленности, но и создать конкурентоспособную продукцию нового поколения с заданными свойствами, произвести импортозамещение.

Ферменты, классификация и специфичность

Характеристика процесса ферментативного гидролиза

Ферментативный катализ субстратов растительного, животного и микробного происхождения обеспечивает радикальное изменение функциональных свойств и фракционного состава сырья на различных этапах его переработки, открывая тем самым широкие возможности создания принципиально новых легкоусвояемых продуктов для ординарного, профилактического, лечебного и реабилитационного питания.

По современной классификации, принятой Комитетом по номенклатуре Международного союза биохимиков и молекулярных биологов (NC-IUBMB), все ферменты делятся на 6 основных классов по типу катализируемой реакции:

1) оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции);

2) трансферазы (реакции переноса групп);

3) гидролазы (реакции присоединения или отщепления молекулы воды);

4) лиазы (реакции отщепления или присоединения групп негидролитическим путем по двойной связи);

5) изомеразы (реакции изомеризации);

6) лигазы или синтетазы (реакции присоединения друг к другу двух молекул, сопряженные с расщеплением пирофосфатной связи).

Согласно основному принципу классификации по типу катализируемой реакции в название фермента включены производные от систематического названия субстрата и типа реакции его превращения.

Большинство промышленных ферментов, применяемых в пищевой промышленности, относятся к 3-му классу (гидролазы), который включает 11 подклассов. Гидролазы катализируют гидролитические реакции в процессах биоконверсии субстратов растительного, животного и микробного происхождения. Наименование гидролаз составляют по форме: «субстрат — гидролаза».

Гидролитические ферменты 3-го класса подразделяют на подклассы в зависимости от специфичности их действия при каталитическом расщепление определенных связей: 3.1 — сложноэфирных связей; 3.2 — гликозидных связей; 3.3 — эфирных связей; 3.4 — пептидных связей; 3.5 — связей С–N, отличных от пептидных; 3.6 — кислотно-ангидридных связей; 3.7 — С–С связей; 3.8 — галоидалкидных связей; 3.9 — Р–N-связей; 3.10 — S–N-связей; 3.11 — С–Р-связей.

Наибольший интерес для специалистов в области пищевой биотехнологии представляют три подкласса ферментов класса гидролаз (3.1, 3.2, 3.4). К ним относятся эстеразы (пектинэстераза действует на пектин в растительных субстратах); гликозидазы (амилазы, гемицеллюлазы, катализирующие гидролиз гликозидных связей в поли- и олигосахаридах); протеазы (катализирующие гидролиз белковых веществ).

Субстратами для гидролитических ферментов являются полимеры, которые служат объектом действия на них ферментов с соответствующей субстратной специфичностью.

В роли полимерных субстратов выступают:

– синтетические поли- или олигомеры, как правило, моделирующие природные полимеры и их фрагменты;

– природные полимеры — полисахариды, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и другие природные соединения, содержащие «ангидридные связи», входящие в состав основной массы органической материи.

Гидролиз — необходимая стадия подготовки и ассимиляции субстратов в природе. Реакция гидролиза протекает по следующей схеме:

RR₁ + H-OH←→ RH + R₁OH.

В процессе ферментативного гидролиза происходит образование фермент-субстратного комплекса, который претерпевает внутримолекулярную перегруппировку под влиянием активного центра фермента. Катализированный разрыв ангидридной связи субстрата приводит к выделению из фермент-субстратного комплекса одного из продуктов реакции. Второй продукт выделяется после группировок, связанных с присоединением воды.

«Узнаваемость» ферментом полимерного субстрата может достигаться большим количеством контактов. Каждая молекула полимерного субстрата фактически представляет собой целый спектр реакционных центров с различной реакционной способностью. При этом реакционная способность полимеров, как правило, убывает в ходе его ферментативной деструкции.

Специфичность действия. Ферменты обладают высокой избирательной способностью взаимодействия с субстратом и высокой специфичностью по отношению к катализируемым реакциям. При этом различают стереоспецифичность, абсолютную и относительную специфичность.

Практически отсутствуют ферменты, обладающие абсолютной специфичностью и катализирующие только одну реакцию. Однако некоторые ферменты можно условно отнести к этой категории как катализирующие одну реакцию с существенно более высокой скоростью, чем другие, которыми можно пренебречь. Так, например, глюкозооксидаза, катализирующая окисление D-глюкозы до глюконовой кислоты, участвует в каталитическом окислении еще ряда субстратов (маннозы, лактозы, мальтозы и др.), но скорость этих реакции более чем на порядок ниже. Поэтому глюкозооксидазу условно считают ферментом, обладающим абсолютной специфичностью.

Ферменты, проявляющие относительную или групповую специфичность, действуют на группу близких по строению субстратов. При этом каждый индивидуальный фермент проявляет свои характерные особенности воздействия на тот или иной субстрат.

Предполагается, что в активном центре фермента условно присутствуют два участка: сорбционный и каталитический. При этом ферменты вариабельны по структурам сорбционных участков центров и строго консервативны по структурам каталитических участков.

Существует несколько уровней субстратной специфичности ферментов. Так, для протеолитических ферментов предположительно существует 4 уровня специфичности (6):

– первичная — проявляется на уровне аминокислотного остатка, участвующего в образовании расщепляемой пептидной связи;

– вторичная — зависит от аминокислотных остатков, удаленных от расщепляемой связи;

– третичная — связана с пространственной организацией молекулы сусбстрата и положением расщепляемой связи;

– четвертичная — зависит от олигомерной структуры гидролизуемого белка.

Для гидролаз подкласса 3.1 (эстераз) характерна относительная субстратная специфичность, т.е. способность гидролизовать сложноэфирные связи между радикалами различного вида. Эстеразы расщепляют моно-, ди-, триацилглицеролы и другие соединения, содержащие сложноэфирную связь. Скорость расщепления зависит от структуры субстрата.

Липазы проявляют позиционную специфичность: предпочтительно гидролизуют сложноэфирную связь при С₁ и С₃ глицерола, а также проявляют избирательность в отношении длины цепи отщепляемых жирнокислотных остатков.

Протеазы (подкласс 3.4) обладают групповой специфичностью по отношению к белкам и пептидам. При этом пепсин предпочтительно катализирует расщепление пептидной связи между тирозином и фенилаланином, особенно при наличии свободной карбоксильной группы. Химотрипсин воздействует на пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот.

Ферменты могут воздействовать не только на различные субстраты, но и катализировать различные биохимические реакции. Так, например, трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильной группой аргинина или лизина, а также амидных связей и сложноэфирных связей между аминокислотой и спиртом.

Гликозидазы (подкласс 3.2) стереоспецифичны. Например, амилазы и β-глюканазы катализируют гидролиз гликозидных связей определенной пространственной конфигурации (α- или β), но не обеих одновременно. Менее строгая избирательность проявляется к различным видам α- или β-гликозидных связей. Так, глюкоамилаза расщепляет α-1,4 и α-1,6-связи; дрожжевая глюканаза — β-1,3 и β-1,4-связи и т.д.

Гликозидазы специфичны в отношении длины цепи: для глюкоамилазы из плесневых грибов предпочтительны высокомолекулярные субстраты (декстрины), а для дрожжевых — олигосахариды с меньшей молекулярной массой. Скорость гидролиза углеводов может зависеть от наличия определенных замещающих групп в углеводных остатках. Некоторые гликозидазы гидролизуют только линейные полимеры и т.д.

Гидролитические ферменты по характеру протекания процесса расщепления субстрата (эндо- и экзодействие) делятся на 2 типа:

Эндоферменты катализируют неупорядочное расщепление внутримолекулярных связей полимерной молекулы с образованием в начальной стадии гидролиза крупных фрагментов различной величины, т.е. атакуются связи субстрата, расположенные на достаточном удалении от концов полимерной молекулы. К ним относят многие ферменты класса гидролаз (α-амилаза, пуллуланаза, эндо-β-глюканаза, протеиназа и др.).

Экзоферменты катализируют последовательное отщепление фрагментов молекулы субстрата, чаще мономеров или димеров, от определенного конца полимерной цепи. Возможно, активный центр таких ферментов устроен в виде «кармана», направленного в глубь белковой молекулы и позволяет вместить не более определенного числа мономерных звеньев субстрата. К ним относятся глюкоамилаза, экзо-β-глюканаза, пептидазы, β-ксилозидазы и др.

Для осуществления глубокой деструкции полимеров сельскохозяйственного сырья происходит взаимное усиление действия ферментов, достигаемое тем, что один фермент эндодействия поставляет субстрат для фермента экзодействия.

Перспективные направления создания ферментных препаратов для пищевой промышленности

Анализ мирового биотехнологического рынка показывает, что основным коммерческим продуктом являются ферментные препараты (ФП). Их производство постоянно возрастает. Объем производства отечественных ферментных препаратов в настоящее время составляет около 1000 т в год, а потребность — порядка 18 тыс. т в год. В результате в страну ежегодно завозится по импорту ферментных препаратов на сумму около 500 млн долларов США. Наиболее масштабно используют ФП микробного происхождения, особенно гидролитического действия.

В России основными производителями ФП являются Бердский завод биопрепаратов «ПО Сиббиофарм», ООО «Агрофермент» и ферментные цеха при спиртовых заводах. Кроме того, для изготовления ФП, применяемых в медицине и ветеринарии, используют эндокринно-ферментное сырье, получаемое при убое сельскохозяйственных животных. По данным Росстата, собирается около 30 т эндокринно-ферментного сырья, которое направляется на производство фармацевтической продукции, и порядка 40 т этого вида непищевого сырья направляется в основном на выработку кормов для животных. Объемы реально существующего производства ФП в России удовлетворяют потребности перерабатывающих предприятий АПК менее чем на 5%.

Реализация биотехнологии отечественных ФП в отраслях пищевой и перерабатывающей промышленности обеспечит ресурсосбережение и импортозамещение, позволит сократить производственные расходы перерабатываемого сельскохозяйственного сырья, увеличить выход и повысить качество целевой продукции.

Ключевым фактором в биотехнологии ФП является штамм — продуцент целевых ферментов, необходимых для эффективной конверсии полимеров сельскохозяйственного сырья. В последнее время методами генной инженерии и индуцированного мутагенеза получены высокоактивные штаммы микроорганизмов — продуцентов промышленных ферментов, активность которых существенно увеличена по целому ряду ферментов, что позволяет разработать эффективные биотехнологии конкурентоспособных ФП для биокаталитической конверсии полимеров сельскохозяйственного сырья в перерабатывающих отраслях АПК. (рис. 30.3).


Рис. 30.3. Перспективы применения комплексных ФП в пищевых технологиях для ферментолиза растительного, микробного и животного сырья

Перспективным направлением науки является создание на основе новых высокоактивных штаммов — продуцентов ферментов эффективных мультиэнзимных систем целевого назначения и разработка научных основ ферментных технологий для для пищевой промышленности. При создании комплексных ФП на основе новых мутантных и рекомбинантных штаммов учитывается не только субстратная специфичность синтезируемых ферментов, но и механизм их действия.

Во ВНИИ пищевой биотехнологии совместно со специалистами отраслевых институтов разрабатываются научно обоснованные ферментативные комплексы целевого назначения для биокаталитической конверсии полимеров растительного, животного и микробного сырья.

На основе выявленных закономерностей процессов биокатализа высокомолекулярных полимеров растительных, животных и микробных субстратов разрабатываются научные основы биотехнологии ФП для повышения эффективности биотехнологических процессов в перерабатывающих отраслях АПК, для создания новых видов биологически полноценных пищевых продуктов и напитков, пищевых ингредиентов, белково-аминокислотных обогатителей пищи и биологически активных добавок иммуномодулирующего действия (рис. 30.4). В результате созданы ФП целевого назначения для применения их в биотехнологических процессах пищевых производств.



Рис. 30.4. Перспективы применения комплексных ФП в пищевых технологиях для ферментолиза растительного, микробного и животного сырья

Так, например, для эффективного биокатализа полимеров зернового сырья в спиртовой, пивоваренной, крахмалопаточной, хлебопекарной промышленности необходимы ферментативные системы, осуществляющие конверсию крахмала (α-амилазы, глюкоамилазы, пуллуланазы), биокатализ некрахмальных полисахаридов (ксиланазы, β-глюканазы и целлюлазы) и белковых веществ (протеазы), что позволяет интенсифицировать биотехнологические процессы, повысить выход и качество продукции.

Для кондитерской промышленности — комплексные ФП амилолитического и протеолитического действия взамен химических реагентов для повышения эластичности теста в производстве крекеров, интенсификации технологических процессов, повышения качества кондитерских изделий.

Для сокоморсовой и ликероводочной промышленности — ферментативные системы (полигалактуроназы, пектинэстеразы, пектинлиазы, гемицеллюлазы и протеазы), осуществляющие деструкцию полимеров плодово-ягодного сырья. Научно обоснован оптимальный состав комплекса и соотношение в нем основных ферментов пектолитического действия, а также ферментов, гидролизующих нейтральные полисахариды и белковые вещества. Применение комплексных ФП целевого назначения позволяет повысить выход сока и его органолептические характеристика, повысить стойкость напитков при хранении. В молочной промышленности используется широкий спектр ФП протеолитического действия, регулирующих функциональные свойства молочных продуктов и выполняющих функции корректировки их структурных показателей на тех или иных этапах технологических процессов.

Для гидролиза микробной биомассы подобраны оптимальные ферментативные системы, позволяющие осуществлять регулируемый процесс биокатализа полисахаридов клеточных стенок (β-глюканазы, маннаназы протеиназы и хитиназы), белков протоплазмы и нуклеиновых кислот (пептидазы, протеиназы и нуклеазы) с получением биологически активных добавок функционального назначения, белково-аминокислотных и витаминных обогатителей пищи.

Для гидролиза животного сырья в сыроделии, молочной и мясной промышленности применяются ФП — источники комплекса кислых и нейтральных протеаз с целью интенсификации технологических процессов, повышения качества продукции, переработки отходов с получением биологически активных добавок.

Применение липолитических ферментов перспективно в тех отраслях пищевой промышленности и сельском хозяйстве, где необходим частичный или полный гидролиз жиров. Гидролитическая способность липазы применяется в косметологии, медицине — для улучшения липидного обмена; в кожевенной промышленности — при выделке мехов и кож; а в сельском хозяйстве — при приготовлении легкоусвояемых кормов и для улучшения обмена веществ у животных. Кроме того, важная особенность липаз заключается в способности перераспределять жирные кислоты в реакционной смеси и замещать ими другие, входящие в состав глицеридов, осуществляя таким образом реакции этерификации.

Основные результаты исследований по применению микробных биокатализаторов в пищевых производствах прошли экспериментальную и промышленную апробацию, подтвердившую высокую эффективность созданных ферментативных комплексов для интенсификации системы биотехнологических процессов, основанных на биотрансформации растительного, животного и микробного сырья. Многие ФП внедрены в промышленность.

Биокаталитические процессы в пищевых технологиях

В основе большинства пищевых биотехнологий лежат каталитические процессы, осуществляемые ферментами микробного, растительного и животного происхождения. Применение ФП способствует интенсификации производства, повышению выхода, качества и сохранности готовой продукции, созданию принципиально новых продуктов функционального назначения и лечебно-профилактических средств, обеспечивает рациональное использование сырьевых ресурсов.

Реализация ферментных технологий позволяет осуществлять регулируемый биокатализ полимеров сельскохозяйственного сырья, более полно использовать все его структурные компоненты, что, в конечном итоге, способствует целенаправленной их модификации, снижению потерь сырья, увеличению выхода и качества продукции. С использованием новых генетически модифицированных высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, синтезирующих ферменты с различной субстратной специфичностью и механизмом действия, разработаны комплексные ФП целевого назначения. В основу теоретического обоснования подбора целевой ферментной системы положены знания о составе сырья и наличия в нем субстратов для биокаталитической конверсии ферментами, а также прогнозируемые результаты о заданной степени деструкции и предполагаемом составе продуктов гидролиза.

Биокаталитическая конверсия крахмалсодержащего сырья

Для гидролиза крахмала используют ферменты амилолитического действия. К ним относятся ферменты разжижающего, декстринирующего и осахаривающего воздействия на крахмал. Эти ферменты можно условно подразделить на 3 группы: α-амилазы, глюкоамилазы и пуллуланазы. Из них α-амилаза и пуллуланаза являются ферментами эндодействия, а глюкоамилаза — экзодействия.

Роль амилолитических ферментов при гидролизе крахмала исключительно велика. Из трех основных результатов их каталитических функций при гидролизе крахмала (разжижение, декстринизация, осахаривание) разжижение и декстринизация зависят от α-амилаз. Они атакуют не только клейстеризованный, но и нативный крахмал, разрушая крахмальные зерна. Действуя на целое крахмальное зерно, α-амилаза атакует его, разрыхляя поверхность и образуя каналы и бороздки, т.е. как бы раскалывает зерно на части. Гидролиз крахмала происходит с образованием не окрашиваемых йодом продуктов, состоящих в основном из низкомолекулярных декстринов. α-Амилазы действуют на α-1,4-глюкозидные связи, расщепляя амилозу внутри ее цепи, т.е. являются эндоамилазами. В результате многостадийного гидролиза крахмала образуются α-декстрины, затем тетра- и тримальтоза, гидролиз которых в дальнейшем дает мальтозу и глюкозу. Глюкоамилаза предназначена для осахаривания частично расщепленных полимеров крахмала с образованием глюкозы. Глюкоамилаза — это фермент с экзогенным механизмом действия на субстрат, катализирует последовательное отщепление концевых остатков глюкозы с нередуцирующего конца субстрата. Глюкоамилаза отличается способностью к более быстрому гидролизу высокомолекулярных декстринов, чем олигосахаридов. Многие глюкоамилазы обладают способностью так же быстро, как и α-1,4-связь, катализировать гидролиз α–1,6-глюкозидных связей. Но это происходит только в том случае, когда за α–1,6-связью следует α–1,4-связь, поэтому, например, декстран, ими не гидролизуется.

Пуллуланаза катализирует внутренние α-1,6-связи в амилопектине и предельных декстринах с образованием мальтоолигосахаридов. Как и α-амилаза, пуллуланаза является эндогенным ферментом, но в отличие от нее способна неупорядоченно гидролизовать α-1,6-связи в пуллулане, амилопектине, гликогене и предельных декстринах, получаемых при совместном воздействии на крахмал и гликоген α- и β-амилаз. Характерным субстратом для пуллуланазы является полисахарид пуллулан, представляющий собой глюкан, в котором молекулы мальтотриозы соединены между собой α-1,6-связями. Пуллулан содержит α-1,4 и α-1,6-глюкановые связи, что до некоторой степени сближает его с крахмалом, делая их общим субстратом такого фермента, как пуллуланаза. Для эффективного действия пуллуланазы необходимо, чтобы α-1,6-связь с двух сторон была окружена α-1,4-связями. Наименьший по молекулярной массе декстрин, способный гидролизоваться пуллуланазой, состоит их двух остатков мальтозы, соединенных между собой α-1,6-связями. Пуллуланаза не способна отщеплять остаток глюкозы, соединенный α-1,6-связью с мальтозой и другими мальтодекстринами.

Амилопектин и β-предельные декстрины, предварительно обработанные пуллуланазой, способны более глубоко гидролизоваться амилолитическими ферментами, чем эти же субстраты в нативном состоянии. Так, совместное действие пуллуланазы и β-амилазы на амилопектин и гликоген приводит к полному их гидролизу. Атакуемость амилопектина возрастает и при использовании комплекса ферментов, содержащего пуллуланазу, глюкоамилазу и α-амилазу. Синергизм действия этих ферментов позволил повысить степень и скорость гидролиза крахмала.

Биокаталитическая конверсия белоксодержащего сырья

Для гидролиза белковых веществ применяют ферменты протеолитического действия, которые по механизму действия, происхождению и эффективности воздействия на белковые полимеры разделены на 2 основные группы: пептидазы КФ 3.4.11-15 и протеиназы КФ 3.4.21-24.

В 1-й группе протеолитических ферментов (пептидазах) подразделение осуществляется на основе механизма расщепления пептидных связей в пептидах. Протеазы, относящиеся к группе пептидаз, в основном являются ферментами экзодействия, катализирующими гидролиз пептидной связи с N- и /или С-конца пептидной цепи и подразделяются на подклассы:

– α-аминоацилпептидгидролазы (КФ 3.4.11) - аминопептидазы, расщепляющие первую пептидную связь с N-конца полипептидной цепи;

– гидролазы пептидиламинокислот или ациламинокислот (КФ 3.4.12) - карбоксипептидазы, расщепляющие первую пептидную связь с С-конца полипептидной цепи с высвобождением отдельных аминокислот или дипептидов;

– дипептидгидролазы (КФ 3.4.13) - дипептидазы, гидролизующие дипептиды;

– дипептидилпептидгидролазы (КФ 3.4.14) и пептидилдипептидгидролазы (КФ 3.4.15), катализирующие расщепление дипептидов с N- и С-конца пептидной связи до низкомолекулярных пептидов и свободных аминокислот.

Продуктами их гидролиза являются аминокислоты и низкомолекулярные пептиды.

2-я группа протеолитических ферментов (протеиназы) имеет 4 подподкласса, в которых все ферменты подразделяются в зависимости от особенностей механизма катализа, установленного по функционированию активного центра фермента, а также влияния рН на его активность. Протеиназы катализируют гидролиз пептидных связей с образование пептидов с различной молекулярной массой:

– сериновые (КФ 3.4.21) — в каталитическом центре находится триада аминокислот (аспарагиновая, гистидин, серин);

– тиоловые (КФ 3.4.22) — в активном центре находится SH-группа цистеина;

– карбоксильные (КФ 3.4.23) — в каталитическом акте участвуют остатки дикарбоновых аминокислот;

– металлосодержащие (КФ 3.4.24) — в их активном центре находятся ионы металлов, ингибируются хилатными соединениями.

Биокаталитическая конверсия целлюлозосодержащего сырья

К ферментам, катализирующим гидролиз некрахмальных полисахаридов, относятся ферменты целлюлолитического и гемицеллюлазного действия (целлюлаза, ксиланаза, β-глюканаза и др.). Эти препараты снижают вязкость зернового сусла, повышают доступность крахмала для действия амилолитических ферментов, что приводит к увеличению концентрации растворимых углеводов и способствует более интенсивному разжижению сырья.

Ферментные препараты гемицеллюлазного и целлюлолитического действия необходимы для гидролиза некрахмальных полисахаридов при приготовлении ржаного и ячменного сусла в спиртовом и пивоваренном производстве. Эти виды сырья характеризуются повышенным содержанием целлюлозы, гемицеллюлозы и гумми-веществ, приводящим к геле- и студнеобразованию, повышению вязкости сусла и ухудшению его реологических показателей.

При переработке растительного сырья немаловажную роль играют ферменты гемицеллюлазного действия (β-глюканазы и ксиланазы). С помощью этих ферментов можно катализировать расщепление полисахаридов с образованием глюкозы и пентоз.

Все гемицеллюлазные ферменты можно разделить на 3 группы: β-D-глюканазы, β-ксиланазы и β-глюкозидазы:

К β-D-глюканазам относят группу ферментов, катализирующую расщепление β-глюканов с β-1,2-, β-1,3-, β-1,4- и β-1,6-связями. В эту группу входят 6 энзимов: целлюлаза, или эндо-1,4-β-глюканаза, эндо–1,3-β-глюканаза, эндо-1,6-β-глюканаза, ламинариназа, лихеназа и эндо-1,2-β-глюканаза.

К β-ксиланазам относится система ферментов, катализирующих расщепление β-глюкозидных связей в β-ксиланах.

β-глюкозидазы (целлобиазы) — ферменты экзогенного действия, катализируют расщепление с нередуцируемого конца β-1,4-связи в β-D-глюкозидах, высвобождая β-D-глюкозу.

Эффективность применения ферментных препаратов в производстве пищевых продуктов, биокорректоров пищи и биологически активных добавок

ФП являются важным фактором, способствующим глубокой переработке сельскохозяйственного сырья. Ферментативный катализ субстратов растительного, животного и микробного происхождения обеспечивает радикальное изменение функциональных свойств и фракционного состава сырья на различных этапах его переработки, открывая тем самым широкие возможности совершенствования традиционных пищевых технологий, а также создания принципиально новых легкоусвояемых продуктов для ординарного, профилактического, лечебного и реабилитационного питания. Основные характеристики ФП амило-, протео-, целлюло- и пектолитического действия, а также способы их воздействия на субстрат, области и эффективность применения в перерабатывающих отраслях приведены в табл. 30.1. В пищевой промышленности наиболее масштабным потребителем ФП являются спиртовая, пивоваренная, хлебопекарная и крахмалопаточная отрасли, перерабатывающие зерновое сырье. Применение комплексных ФП всех спектров действия на разных стадиях производства позволяет рационально использовать компоненты зернового сырья. На модели биокатализа полимеров многокомпонентного зернового сырья приведены результаты исследования эффективности применения гидролитических ферментов с различной субстратной специфичностью и механизмом действия.

Установлено, что с целью улучшения реологических показателей зернового сусла, повышения бродильной активности дрожжей, ускорения процессов генерации дрожжей и спиртового брожения необходимо введение в состав ферментного комплекса, наряду с традиционно используемыми амилазами, комплекса протеиназ и пептидаз, β-глюканаз, ксиланаз, ферментов целлюлолитического действия. В результате анализа большого массива экспериментальных данных выявлена зависимость реологических и биохимических характеристик зернового сусла и показателей бражки от концентрации гемицеллюлаз.

Таблица 30.1. Технохимическая характеристика ферментных препаратов для пищевой промышленности

Основной фермент в комплексе	Продуценты	Оптимум действия ФП		Способ воздействия на субстрат и задачи применения ФП	Область применения и эффективность
		t°C	рН
I. α-Амилаза, глюкоамилаза, пуллуланаза
Бактериальная α-амилаза	Bacillus subtilis	60–70	5,5–7,0	Для разжижения и декстринизации крахмала	В спиртовом, крахмалопаточном, пивоваренном, хлебопекарном производствах для снижения вязкости зерновых замесов, увеличение выхода и качества целевого продукта
Термостабильная α-амилаза	Bacillus licheniformis. B. stearother-mophilus. Pseulomonas fluorescens	85–95	6,0–7,0	–
		70–90	5,0–6,0	–
		60–97	5,0–6,5	–
Грибная α-амилаза	Aspergillus oryzae	50–55	4,5–5,5	Для гидролиза крахмала до декстринов, олигосахаридов и мальтозы
Глюкоамилаза	Aspergillus awamori	55–60	4,3–5,0	Для осахаривания частично расщепленного крахмала до глюкозы	В производстве спирта, пива, кристаллической глюкозы, глюкозо-фруктозных сиропов для интенсификации процессов и увеличения выхода готовой продукции
	Aspergillus niger	55–65	4,1–4,5
Пуллуланаза	Aerobacter aerogenes. Ваcillus pullulans	58–65	4,0–6,0	Для гидролиза α-1,6-связей в амилопектине и предельных декстринах до мальтоолигосахаридов
II. Протеазы
Бактериальные протеазы (протеаза Б)	Bacillus subtilis	50–60	6,5–10,0	Для гидролиза белков до пептидов и снятия белкового осаждения	В производстве спирта, вина, пива, белково-аминокислотных ингредиентов, БАД
Грибные протеазы (протеазы ГК)	Aspergillus oryzae. A. niger	50–55	4,7–5,3	Для протеолиза белков до пептидов и аминокислот
III. Пектиназы, ксиланазы, целлюлазы, β-глюканазы
β-Глюканаза, ксиланаза, целлюлаза	Trichoderma viride. T. longibrachi-atum и др.	50–65	5,0–7,0	Для гидролиза некрахмальных полисахаридов.	В производстве спирта, пива, крахмала, кормов для снижения вязкости и повышения био-доступности субстрата, увеличения выхода готовой продукции.
Пектиназа. Пектинэстераза. Полигалактуроназа	Aspergillus foetidus	40–50	3,5–5,5	Для гидролиза пектиновых веществ плодово-ягодного и растительного сырья	В консервном, соковом, винодельческом и ликероводочном производствах для снижения вязкости и повышения биодоступности субстрата, увеличения выхода и качества целевой продукции

При этом установлено, что использование ФП (источников β-глюканаз) позволяет в результате ферментативной деполимеризации глюканов зерна повысить содержание глюкозы в реакционной среде и, тем самым, способствовать увеличению выхода целевого продукта.

Применение ФП ксиланолитического действия обеспечивает снижение вязкости сусла и улучшение его реологических показателей, что способствует интенсификации процесса биоконверсии полимеров зернового сырья.

Разработаны научные основы интенсивного биотехнологического процесса глубокой переработки зернового сырья в этанол, способствующего эффективному ресурсосбережению. При его реализации необходимо учитывать не только содержание крахмала, но и состав белковых веществ и некрахмальных соединений различных видов зернового сырья, для повышения эффективности биоконверсии которых применяют специально подобранные целевые мультиэнзимные композиции, их использование позволяет интенсифицировать процесс спиртового брожения на 15–20% и увеличить выход спирта на 2–3%.

Современная концепция здорового питания предполагает повышение биологической полноценности продуктов питания путем введения в их состав натуральных биокорректоров пищи — источников жизненно важных биологически активных веществ. Использование для этих целей ценных ингредиентов микробной биомассы как полноценного источника белковых веществ, витаминов, полисахаридов и микроэлементов является современным научным направлением, способствующим решению проблемы получения функциональных продуктов питания и лечебно-профилактических средств. Особое значение при этом придается наличию в них полноценных белков, биологически активных пептидов, незаменимых аминокислот.

Важной составляющей в сбалансированном питании являются белковые вещества (полипептиды, низкомолекулярные пептиды и аминокислоты). В процессе пищеварения протеолитические ферменты катализируют деструкцию белковых веществ до легкоусвояемых аминокислот и низкомолекулярных пептидов, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для энергетических целей. Белки и аминокислоты, являясь конструктивной основой всех формирующихся тканей в организме человека, играют также регуляторную роль в процессах метаболизма, при этом особенно важен состав и количество аминокислот, в том числе незаменимых.

При дефиците белкового питания для синтеза ферментов, гормонов и других жизненно необходимых компонентов используются внутренние резервы организма в виде продуктов распада белков тканей. В то же время клетки человека не могут синтезировать необходимые белки, если в составе пищи будет отсутствовать хотя бы одна незаменимая аминокислота. В итоге в результате неправильного питания понижается сопротивляемость неблагоприятным факторам, развиваются хронические заболевания, снижается продолжительность жизни.

Перспективным источником белка, аминокислотный скор которого приближается к животному, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. В работах многих исследователей показано, что дрожжевой белок, состоящий из 466 аминокислотных остатков, характеризуется хорошей сбалансированностью незаменимых аминокислот, при добавлении метионина и цистеина он не уступает белкам мяса. Дрожжи богаты также витаминами, особенно группы В, и минеральными веществами. Кроме того, клеточные стенки дрожжей Saccharomyces сerevisiae содержат полисахариды глюкано-маннановой природы, обладающие высокой сорбционной способностью, на основе которых возможно создание препаратов для регуляции деятельности желудочно-кишечного тракта.

Однако питательная ценность микробной биомассы ограничена малой доступностью содержимого клетки для действия пищеварительных ферментов. Для повышения усвояемости внутриклеточных биологически ценных компонентов разрабатываются различные способы обработки дрожжей, из которых наиболее перспективным является процесс ферментативной деструкции полимеров микробной клетки с целью выделения белковых веществ и получения белково-аминокислотных обогатителей пищи.

Для получения продуктов заданного структурно-фракционного состава на основе дрожжевой биомассы разработана комплексная ферментативная система (ФС), обеспечивающая проведение направленной биокаталитической деструкции субклеточных структур дрожжевой клетки Saccharomyces cerevisiae. В состав ФС входят ферменты, катализирующие гидролиз полисахаридов клеточных стенок (КС) дрожжей (β-глюканаза, маннаназа, протеиназа и хитиназа), и комплекс ферментов протеолитического действия грибного происхождения, содержащий протеиназы и пептидазы, для осуществления глубокого гидролиза белковых веществ протоплазмы дрожжевой клетки. В зависимости от степени деструкции субклеточных структур показана возможность получения ферментолизатов биомассы дрожжей с заданным фракционным составом белковых веществ для производства пищевых ингредиентов с целевым функциональным воздействием. Использование натуральных биокорректоров в технологиях продуктов функционального питания будет способствовать регулированию многих жизненных процессов, происходящих в клетках, тканях и органах через модуляцию ферментов, рецепторов, процессов всасывания и выделения, микробиологических процессов и т.д.

Таким образом, биотехнология является одним из наиболее перспективных направлений науки, обеспечивающих развитие перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса, ориентированных на самые острые проблемы человечества — производство продуктов питания и экологию. Реализация биотехнологических методов в пищевой промышленности позволяет не только увеличить рентабельность производств и интенсифицировать технологические процессы глубокой переработки сельскохозяйственного сырья, но и повысить качество и биологическую полноценность продуктов питания, разработать новые виды продукции с функциональными свойствами. Проблема полноценного обеспечения пищевых потребностей населения может быть решена с привлечением ценных ингредиентов, получаемых на основе ферментативной конверсии растительного, животного и микробного сырья.

Литература

1. Агаркова Е.Ю., Березкина К.А., Кручинин А.Г., Николаев И.В. Проектирование протеолиза молочных белков для создания функциональных продуктов со сниженной аллергенностью // Материалы Международной научной конференции «Пищевые инновации и биотехнологии». Кемерово: КемТИПП, 2014. С. 21–23.
2. Варфоломеев С.Д., Пожитков А.Е. Активные центры гидролаз: основные типы структур и механизм катализа // Вестн. Моск. ун-та. Сер.: 2. Химия. 2000. Т. 41, № 3. Р. 147–156.
3. Волкова Г.С., Куксова Е.В., Погоржельская Н.С., Римарева Л.В. Использование инновационных ингредиентов при создании специализированных продуктов диетического питания// Научно-инновационные аспекты при создании продуктов здорового питания: сборник. Углич, 2012. С. 40–42.
4. Грачева И.М., Кривова А.Ю. Технология ферментных препаратов. М.: Элевар, 2000. 512 с.
5. Григорьев М.А., Серба Е.М., Оверченко М.Б. Исследование процесса ферментации зерновой композиции для конструирования продуктов питания // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 2. С. 61–63.
6. Жеребцов Н.А., Корнеева О.С., Фараджева Е.Д. Ферменты и их роль в технологии пищевых продуктов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1999. 117 с.
7. Кислухина О.В. Ферменты в производстве пищи и кормов. М.: ДеЛи принт, 2002. 336 с.
8. Кнопова С.И., Савенкова Т.В. Технологические аспекты применения комплексного ферментного препарата в производстве крекера // Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК: сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М.: ВНИИПБТ, 2006. С. 77–81.
9. Козлова Н.А., Гореньков Э.С., Кисилева Л.В. Разработка технологии и оборудования для непрерывной ферментной обработки плодовых сокоматериалов // Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК6 сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М.: ВНИИПБТ, 2006. С. 242–245.
10. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия: учебное пособие. М.: Дрофа. 2004. 638 с.
11. Королева О.В., Агаркова Е.Ю., Ботина С.Г., Николаев И.В. и др. Функциональные свойства кисломолочных продуктов с гидролизатами сывороточных белков // Молочная пром-сть. 2013. № 11. С. 52–55.
12. Курбатова Е.И., Римарева Л.В., Трифонова В.В., Воробьева Е.В. Исследование оптимальных условий ферментативной обработки яблочной мезги при производстве полуфабрикатов ликероводочных изделий // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2005. № 4. С. 25–30.
13. Курбатова Е.И., Соколова Е.Н., Борщева Ю.А., Алсивар С.К.А. и др. Скрининг физиологически активного штамма мицелиальных грибов — продуцента комплекса литических ферментов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2014. № 8. С. 38–42.
14. Лысенко Л.А., Немова Н.Н., Канцерова Н.П. Протеолитическая регуляция биологических процессов. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 482 с.
15. Матвеева И.В., Белявская И.Г. Биотехнологические основы приготовления хлеба. М.: ДеЛи принт, 2001. 150 с.
16. Меренкова С.П., Наумова Н.Л., Лукин А.А. Биотехнология продуктов питания из растительного сырья в пищевой инженерии: учебное пособие / Министерство образования и науки Российской Федерации, Южно-Уральский гос. ун-т, Издательский центр ЮУрГУ. Челябинск, 2013. С. 96.
17. Поландова Р.Д. Современные технологические решения использования ферментных препаратов в хлебопечении России // Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК: сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М.: Пищепромиздат, 2004. С. 308–311.
18. Полыгалина Г.В., Чередниченко В.С., Римарева Л.В. Определение активности ферментов: справочник. М.: ДеЛи принт, 2003. 372 с.
19. Поляков В.А., Римарева Л.В. О научном обеспечении биотехнологии ферментных препаратов для перерабатывающих отраслей АПК// Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. № 8. С. 106–111.
20. Поляков В.А., Римарева Л.В. Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК: сборник научных трудов. М., 2006. 303 с.
21. Поляков В.А., Римарева Л.В., Курбатова Е.И., Соколова Е.Н. и др. Получение белковых обогатителей пищи на основе ферментативной деструкции белково-полисахаридного комплекса клеточных стенок дрожжей // Пищевая пром-сть. 2012. № 11. С. 42–44.
22. Спиричев В.Б. Научные принципы обогащения пищевых продуктов микронутриентами // Вопр. питания. 2000. № 4. С. 13–19.
23. Римарева Л.В. Эффективный ферментный препарат для протеолиза растительного сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. 1995. № 6. С. 40–42.
24. Римарева Л.В. Перспективы использования протеолитических ферментных препаратов // Пищевая пром-сть. 1996. № 3. С. 44–45.
25. Римарева Л.В., Оверченко М. Б., Серба Е.М., Трифонова В. В. Сравнительная характеристика микробных протеаз по степени гидролиза белковых субстратов // Приклад. биохим. 1997. Т. 33, № 1. С. 43–48.
26. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Трифонова В.В., Игнатова Н.И. Амилолитический комплекс для интенсификации осахаривания и сбраживания крахмалсодержащего сырья // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2002. № 1. С. 32–33.
27. Римарева Л.В. Совершенствование биотехнологических процессов в спиртовом производстве с использованием ферментативного катализа // Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК: сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М.: Пищепромиздат, 2004. С. 195–208.
28. Римарева Л.В., Воронцова Н.Н. Микробиологический контроль спиртового и ферментного производств: учебное пособие. М.: Россельхозакадемия, 2005. 200 с.
29. Римарева Л.В., Оверченко М.Б. Использование протеолитического ферментного препарата из Aspergillus oryzae в спиртовом брожении // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2005. № 4. С. 12–14.
30. Римарева Л.В., Курбатова Е.И. Пат. на изобретение № 2305463 «Мультиэнзимная композиция для получения осветленного яблочного сока и способ получения осветленного яблочного сока», 2006.
31. Серба Е.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Курбатова Е.И. и др. Получение ферментолизатов мицелиальной биомассы для создания пищевых и кормовых добавок // Пищевая пром-сть. 2016. № 6. С. 20–24.
32. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Давыдкина В.Е., Шелехова Н.В. и др. Научно-практические аспекты получения БАД на основе конверсии вторичных биоресурсов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 2. С. 44–50.
33. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Погоржельская Н.С., Курбатова Е.И. и др. Зависимость степени деструкции белковых веществ микробной биомассы от состава протеолитического комплекса// Вестн. Рос. Сельскохоз. науки. 2015. № 2. С. 48–51.
34. Семенова М.В., Зоров И.Н., Синицын А.П., Окунев О.Н. и др. Состав и свойства ферментного комплекса, секретируемого высокопродуктивными мутантными штаммами Aspergillus awamori, используемыми в спиртовой промышленности // Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК: сборник. М.: ВНИИПБТ, 2006. С. 77–81.
35. Харитонов В.Д., Будрик В.Г., Агаркова Е.Ю., Кручинин А.Г. и др. Рациональный дизайн биокаталитической конверсии молочных белков для создания продуктов со сниженной аллергенностью // Материалы Международной научно-практической конференции «Биотехнология и качество жизни». М., 2014. С. 334–335.
36. Чурсин В.И. Биокатализ в процессах обработки кожевенного сырья и коллагенсодержащих материалов // Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК. М.: Пищепромиздат, 2004. С. 137–144.
37. Шестаков И.С, Моисеева Л.В. Миронова Т.Ф. Ферменты в кожевенном и меховом производстве. М.: Легпромбытиздат, 1990. 128 с.
38. Шурхно Р.А., Агзамов Р.З. Основы биоконверсии растительного сырья: учебно-методическое пособие. Казань: Изд-во КНИТУ, 2014. 100 с.
39. Guo Z., Xu X. New opportunity for enzymatic modification of fats and oils with industrial potentials // Org. Biomol. Chem. 2005. Vol. 3, N 14. P. 2615–2619.
40. Gupta R., Gupta N., Rathi P. Bacterial lipases: an overview of production, purification and biochemical properties // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 64, N 6. P. 763–781.
41. Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology. Enzyme Nomenclature. Recommendation of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology on Nomenclature and Classification of Enzymes by the Reactions they Catalyse. San Diego: Academic Press, 1992. 372 p.
42. Norouzian D., Akbarzadeh А., Scharer J.M., Young М.М. Fungal glucoamylases // Biotech. Adv. 2006. Vol. 24. P. 80–85.
43. Polizeli M.L., Rizzatti A.C.S., Monti R., Terenzy H.F. et al. Xylanases from fungi: properties and industrial applications // Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 67. P. 577–591.
44. Rozhkova A.M., Semenova M.V., Rubtsova E.A., Sereda A.S. et al. Creation of a heterologous gene expression system on the basis of Aspergillus awamori recombinant strain // Appl. Biochem. Microbiol. 2011. Vol. 47, N 3. P. 279–287.
45. Rimareva L.V., Overchenko M.B., Milucova Т.В., Ustinnikov В.А. Efficient enzyme preparation for hydrolysis of plant and animal raw material // Abstracts of the 8th Congress of the Microbiologists in Bulgaria. Varna, 1993. Р.360.
46. Rimareva L.V., Jarovenko V.L. Milucova T.B. Ustinnikov B.A. Application of the proteolitic enzyme preparation from Aspergillus oryzae in alcoholie fermentation // Appl. Biochem. Microbiol. 1994. Vol. 29, N 6. Р. 651–656.
47. Schrag, J. D., and M. Cygler. Lipases and alpha-beta hydrolase fold // Methods Enzymol. 1997. Vol.284. P. 85–107.