Где используются ферменты?

Сегодня ферменты нашли широкое применение: пищевая промышленность и перерабатывающая, медицина, текстильная и кожевенная промышленность и др.

Ферментные препараты широко используют в медицине. Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.

Применение ферментных препаратов является лучшим стимулятором роста продуктивности любого процесса, условием улучшения качества конечного продукта и повышения его выхода из единицы перерабатываемого сырья. В хлебопечении благодаря применению липоксигеназы увеличиваются объем, пористость, сладость, продолжительность свежести, в кондитерской — предотвращается кристаллизация сахарозы

В крахмалопаточной промышленности препарат а-амилазы и глюкоамилазы обеспечивает ускорение процесса ферментативного гидролиза крахмала до глюкозы с получением пищевой патоки высоких кондиций, пищевой и медицинской глюкозы и других продуктов. При этом возрастает выход глюкозы из переработанного крахмала картофеля, зерна кукурузы, пшеницы; снижаются потери крахмала; увеличивается количество белка в кормах из отходов перерабатываемой кукурузы.

В виноделии и производстве плодово-ягодных соков прежде всего значительно увеличиваются объемы получаемого сока и его концентрата, достигается высокая степень очистки соков, что важно при их концентрировании и хранении в производстве безалкогольных напитков. Получаются также соки с осадком пектина, что способствует активной эвакуации вредных веществ из кишечника человека.

В сахарной технологии, применяя препарат β-фрукто-фуранозидазы, достигают высокой степени гидролиза сахарозы без вредного оксиметилфурфурола, который образуется в глюкозо-фруктозном сиропе.

меньших затрат труда и денежных средств.

В США и Японии половину вырабатываемого сахара уже заменили глюкозно-фруктозным сиропом.

Еще хуже обстоит дело с применением ферментных препаратов в масло-жировой промышленности. Известны положительные результаты использования препарата липазы в производстве жиров, причем процесс осуществляется при обычных температуре и давлении. А между тем используется технология, предполагающая высокие температуру (225 °С) и давление (0,3 МПа и более), что связано с потребностью в катализаторах и дорогостоящей аппаратуре, с небезопасными условиями ее обслуживания.

Эти стратегические направления в сахарной и масло-жировой науке в отраслевых исследовательских и учебных институтах не разрабатываются, а пора бы продумать, на каких заводах, в какие сроки испытать определенные ферментные препараты, определить эффектив ность их действия, побудить заинтересо ванных заказчиков провести их про мышленное испытание и внедрение.

Лучшее положение с производствен и применением ферментных препарате в спиртовой промышленности, где вырабатывают и используют их амило- и протеолитический комплексы в 90 % выпускаемой продукции. Большую часть солода заменяют препаратами, экономя зерно посевных кондиций, снижают потери крахмала при солодоращении. Однако в отрасли отсутствуют препараты целлюлолитического действия для гидролиза оболочек злаковых и картофеля. Их применение дало бы возможность заметно увеличить выход этанола и расширить область использования нетрадиционного сырья и вторичных ресурсов. К сожалению, это важное направление в науке не прорабатывается.

В пивобезалкогольном производстве применяются комплексные (амило-, протео- и целлюлолитические) ферментные препараты. Благодаря этому сокращается расход ячменя высоких посевных кондиций (он заменяется рядовым зерном), снижаются потери крахмала при солодоращении. Большие перспективы в применении препаратов в рыбной и мясо-молочной промышленности. Препараты позволяют смягчать рыбную и мясную продукцию, повышая ее сортность, качество и выход.

В настоящее время в текстильном производстве нашли применение следующие ферменты:

- Амилазы служат для удаления крахмалосодержащей шлихты из тканей в рамках предварительной обработки, так как ее остатки мешают последующему крашению. При этом речь идет о количественно значимом процессе, который применяется с начала промышленной отделки текстильных материалов и до настоящего времени конкурирует с химически-окислительным удалением шлихты.

В этом случае используются препараты, оптимум действия которых установлен при разных температурах. Синтетические шлихты (поливиниловый спирт, акрилаты, карбоксиметилцеллюлоза) до сих пор ферментативно не удалялись.

- Целлюлазы применяются для поверхностной предварительной и последующей обработки целлюлозосодержащих текстильных материалов как из нативных, так и восстановленных волокон. Цель процесса - ферментативное разрушение фибрилл целлюлозы непосредственно на поверхности вещества, чтобы добиться оптических эффектов и определенного грифа или улучшить эксплуатационные свойства (уменьшить склонность к разлохмачиванию и пиллингу). Благодаря тенденциям моды применение целлюлозы в последние годы значительно увеличилось. Эта обработка уже относится к стандартным методам отделки.

- Каталазы служат для уничтожения оставшейся после отбеливания перекиси водорода, которая служит помехой для проведения последующих процессов. Благодаря применению ферментов можно отказаться от использования химических восстановителей и, следовательно, связанной с ними промывки, что значительно сокращает продолжительность процесса.

Особое внимание технологов и других специалистов, перерабатывающих биологическое сырьё, привлекают ферменты первого класса – оксидоредуктазы и третьего – гидролазы. При переработке пищевого сырья происходит разрушение клеток биологического материала, повышается доступ кислорода к измельчённым тканям и создаются благоприятные условия для действия оксидоредуктаз, а высвобождающиеся гидролазы расщепляют основные структурные компоненты клетки - белки, липиды, полисахариды и гетерополисахариды.

Оксидоредуктазы

1. Полифенолоксидаза. Этот фермент известен под различными тривиальными названиями: о-дифенолоксидаз а, тирозиназа, фенолаза, катехолаза и др. Фермент может катализировать окисление моно-, ди-, и полифенолов. Типичная реакция, катализируемая полифенолоксидазой, имеет вид:

В зависимости от того, из какого источника выделен фермент, способность его к окислению различных фенолов различна. С действием этого фермента связано образование темноокрашенных соединений — меланинов при окислении кислородом воздуха аминокислоты тирозина. Потемнение срезов картофеля, яблок, грибов, персиков и других растительных тканей в большей степени или полностью зависит от действия полифенолоксидазы. В пищевой промышленности основной интерес к этому ферменту сосредоточен на предотвращении рассмотренного нами ферментативного потемнения, которое имеет место при сушке плодов и овощей, а также при производстве макаронных изделий из муки с повышенной активностью полифенолоксидазы. Эта цель может быть достигнута путем тепловой инактивации фермента (бланшировка) или добавлением ингибиторов (NaHSO₃, SO₂, NaCl). Положительная роль фермента проявляется при некоторых ферментативных процессах: например, при ферментации чая. Окисление дубильных веществ чая под действием полифенолоксидазы приводит к образованию темноокрашенных и ароматических соединений, которые определяют цвет и аромат черного чая.

2. Каталаза. Этот фермент катализирует разложение пероксида водорода по реакции:

2Н₂О₂ → О₂ + 2Н₂О

Каталаза относится к группе гемопротеиновых ферментов. Содержит 4 атома железа на одну молекулу фермента. Функцией каталазы в живом организме является защита клетки от губительного действия перекиси водорода. Хорошим источником для получения промышленных препаратов каталазы являются культуры микроорганизмов и печень крупного рогатого скота. Каталаза находит свое применение в пищевой промышленности при удалении избытка Н₂О₂ при обработке молока в сыроделии, где пероксид водорода используется в качестве консерванта; а также совместно с глюкозооксидазой применяется для удаления кислорода и следов глюкозы.

3. Глюкозооксидаза. Этот фермент представляет собой флавопротеид, в котором белок соединен с двумя молекулами ФАД (активная форма витамина В₂). Он окисляет глюкозу с образованием в конечном счете глюконовой кислоты и обладает практически абсолютной специфичностью по отношению к глюкозе. Суммарное уравнение имеет следующий вид:

Глюкоза + Н₂О + О₂ = глюконовая кислота + Н₂О₂

Высокоочищенные препараты глюкозооксидазы получают из плесневых грибов рода Aspergillus и Penicillium. Препараты глюкозооксидазы нашли применение в пищевой промышленности как для удаления следов глюкозы, так и для удаления следов кислорода. Первое необходимо при обработке пищевых продуктов, качество и аромат которых ухудшаются из-за того, что в них содержатся восстанавливающие сахара; например, при получении из яиц сухого яичного порошка. Глюкоза при сушке и хранении яичного порошка, особенно при повышенной температуре, легко вступает в реакцию с аминными группами аминокислот и белков. Порошок темнеет, и образуется ряд веществ с неприятным вкусом и запахом. Второе — необходимо при обработке продуктов, в которых длительное присутствие небольших количеств кислорода приводит к изменению аромата и цвета (пиво, вино, фруктовые соки, майонез). Во всех подобных случаях в ферментную систему включают каталазу, разлагающую Н₂О₂, которая образуется при реакции глюкозы с кислородом.

3. Липоксигеназа. Этот фермент катализирует окисление полиненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот (линолевой и линоленовой) кислородом воздуха с образованием высокотоксичных гидроперекисей. Ниже приведена реакция, катализируемая этим ферментом:

R....... СН₂-СН=СН-СН₂-СН=СН-СН₂....... СООН

↓ + О₂

R....... СН₂-СН=СН-СН=СН-С(ООН)Н-СН₂....... СООН

Возможно образование и циклических гидроперекисей по следующей схеме:

Однако основное количество жирных кислот превращается в гидроперекиси, обладающие сильными окислительными свойствами, и именно на этом основано использование липоксигеназы в пищевой промышленности.

Липоксигеназа широко распространена в сое, пшенице и других злаках, в семенах масличных и бобовых культур, в картофеле, баклажанах и т. д. Липоксигеназе принадлежит важная роль в процессах созревания пшеничной муки, связанных с улучшением ее хлебопекарных достоинств. Образующиеся под действием фермента продукты окисления жирных кислот способны вызывать сопряженное окисление ряда других компонентов муки (пигментов, SH-групп клейковинных белков, ферментов и др.). При этом происходит осветление муки, укрепление клейковины, снижение активности протеолитических ферментов и другие положительные изменения. В разных странах разработаны и запатентованы способы улучшения качества хлеба, основанные на использовании препаратов липоксигеназы (главным образом, липоксигеназы соевой муки). Все они требуют очень точного дозирования фермента, так как даже небольшая передозировка приводит к резко отрицательному эффекту и вместо улучшения качества хлеба происходит его ухудшение. Интенсивное окисление липоксигеназой свободных жирных кислот может сопровождаться вторичными процессами образования веществ различной химической природы с неприятным вкусом и запахом, характерным для прогорклого продукта. Более мягкий способ воздействия на компоненты муки и теста связан с активацией собственной липоксигеназы муки путем некоторого варьирования технологического процесса. При этом исключается эффект передозировки фермента со всем комплексом нежелательных последствий.