Использование иммобилизованных ферментов в пищевой промышленности

Применение подобной техники в промышленности получило название инженерной энзимологии. Ряд примеров свидетельствует об огромных возможностях инженерной энзимологии в различных областях промышленности, медицины, сельского хозяйства. В частности, иммобилизованную в-галактозидазу, присоединенную к магнитному стержню-мешалке, используют для снижения содержания молочного сахара в молоке, т.е. продукта, который не расщепляется в организме больного ребенка с наследственной непереносимостью лактозы. Обработанное таким образом молоко, кроме того, хранится в замороженном состоянии значительно дольше и не подвергается загустеванию. Разработаны проекты получения пищевых продуктов из целлюлозы, превращения ее с помощью иммобилизованных ферментов - целлюлаз - в глюкозу, которую можно превратить в пищевой продукт - крахмал. С помощью ферментной технологии в принципе можно также получить продукты питания, в частности углеводы, из жидкого горючего (нефти), расщепив его до глицеральдегида, и далее при участии ферментов синтезировать из него глюкозу и крахмал. Несомненно, имеет большое будущее моделирование при помощи инженерной энзимологии процесса фотосинтеза, т.е. природного процесса фиксации СО2; помимо иммобилизации, этот жизненно важный для всего человечества процесс потребует разработки новых оригинальных подходов и применения ряда специфических иммобилизованных коферментов. В качестве примера иммобилизации ферментов и использования их в промышленности приводим схему непрерывного процесса получения аминокислоты аланина и регенерации кофермента (в частности, НАД) в модельной системе. В этой системе исходный субстрат (молочная кислота) подается при помощи насоса в камеру-реактор, содержащий иммобилизованные на декстране НАД+ и две НАД-зависимые дегидрогеназы: лактат- и аланиндегидрогеназы; с противоположного конца реактора продукт реакции - аланин - удаляется с заданной скоростью методом ультрафильтрации.

Подобные реакторы нашли применение в фармацевтической промышленности, например при синтезе из гидрокортизона антиревматоидного препарата преднизолона. Кроме того, они могут служить моделью для применения с целью синтеза и получения незаменимых факторов, поскольку при помощи иммобилизованных ферментов и коферментов можно направленно осуществлять сопряженные химические реакции (включая биосинтез незаменимых метаболитов), устраняя тем самым недостаток в веществах при наследственных пороках обмена. Таким образом, при помощи нового методологического подхода наука делает свои первые шаги в области «синтетической биохимии». Не менее важными направлениями исследований являются иммобилизация клеток и создание методами генотехники (генного инженерного конструирования) промышленных штаммов микроорганизмов - продуцентов витаминов и незаменимых аминокислот. В качестве примера медицинского применения достижений биотехнологии можно привести иммобилизацию клеток щитовидной железы для определения тиреотропного гормона в биологических жидкостях или тканевых экстрактах. На очереди - создание биотехнологического способа получения некалорийных сластей, т.е. пищевых заменителей сахара, которые могут создавать ощущение сладости, не будучи высококалорийными. Одно из подобных перспективных веществ - аспартам, который представляет собой метиловый эфир дипептида - аспартилфенилаланина. Аспартам почти в 300 раз слаще сахара, безвреден и в организме расщепляется на естественно встречающиеся свободные аминокислоты: аспарагиновую кислоту (аспартат) и фенилаланин. Аспартам, несомненно, найдет широкое применение как в медицине, так и в пищевой промышленности (в США, например, его используют для детского питания и добавляют вместо сахара в диетическую кока-колу). Для производства аспартама методами генотехники необходимо получить не только свободную аспарагиновую кислоту и фенилаланин (предшественники), но и бактериальный фермент, катализирующий биосинтез этого дипептида.

Значение инженерной энзимологии, как и вообще биотехнологии, возрастет в будущем. По подсчетам специалистов, продукция всех биотехнологических процессов в химической, фармацевтической, пищевой промышленности, в медицине и сельском хозяйстве, полученная в течение одного года в мире, будет исчисляться десятками миллиардов долларов к 2000 г. В нашей стране уже к 2000 г. будет налажено получение методами генной инженерии L-треонина и витамина В2. Уже к 1998 г. предполагается производство ряда ферментов, антибиотиков, б1-, в-, г-интерферонов; проходят клинические испытания препараты инсулина и гормона роста. Гибридомной техникой в стране налажен выпуск реактивов для иммуно-ферментных методов определения многих химических компонентов в биологических жидкостях.[7]

4. Ферменты в алкоголе

4.1 Применение ферментов в пивоваренной промышленности

Ферменты играют ключевую роль на всех этапах пивоварения. Классическая технология пива основана на использовании ферментов солода и дрожжей-сахаромицетов.

Получение сусла из солода высокого качества не требует дополнительного введения ферментных препаратов. В солоде присутствуют гидролитические ферменты, необходимые для перевода в растворенное состояние основных групп полимеров: крахмала, некрахмальных полисахаридов и белка. В отличие от спиртового производства в пивоварении не стремятся достичь максимально возможной степени расщепления полимеров сырья, поскольку для создания полноты вкуса и пенообразования пива необходимы продукты неполного гидролиза крахмала, глюкана, белка.

В производстве пива, как указывалось ранее, наряду с солодом используют несоложеные материалы. Например, при производстве массовых сортов пива используют до 60 % несоложеных материалов -- риса, кукурузы, пшеницы и др. При высокой ферментативной активности солода не снижает качества пива введение в состав сырья до 15 % ячменя, до 20 % кукурузной крупы или рисовой сечки.

При замене значительной части солода несоложеным ячменем снижение ферментативной активности сырья можно компенсировать введением гидролитических ферментов. При замене 50 % солода ячменем активность б-амилазы и в-глюканазы в сырье снижается в 2 раза, протеазы -- в 1,5 раза. Необходимый уровень активности достигается при добавлении 0,025 % мультиэнзимной композиции «МЭК ПП-1», в состав которой входят «Амилосубтилин», «Протосубтилин» и «Амилоризин». Комплекс обладает активностью б-амилазы, эндо- и экзопептидаз, эндо- и экзоглюканаз.
Экзопептидазы «Амилоризина», имеющие оптимум в слабокислой среде, обеспечивают глубокий протеолиз сырья. Сусло, предназначенное для сбраживания в цилиндроконических танках, должно содержать не менее 18 мг/100 мл б-аминного азота. Недостаток продуктов глубокого расщепления белка можно компенсировать введением осадочных пивных дрожжей -- нативных или автолизированных, в количестве соответственно 2-6 % или 1 % к массе сырья.

Несоложеный ячмень осахаривают совместно с солодом, вводя препарат «МЭК ПП-1» в начале затирания, которое проводят по одноотварочному способу. Сусло, полученное из 50 % солода и 50 % ячменя, энергично сбраживается. Основные качественные показатели готового пива соответствуют стандарту.[8]

5. Применение ферментов при производстве этилового спирта

Технология производства этилового спирта состоит из следующих последовательных стадий: подготовка крахмалсодержащего сырья, разваривание крахмалсодержащего сырья, осахаривание разваренной массы, приготовление дрожжей, сбраживание осахаренного сусла, выделение спирта из бражки и его ретификация (очистка от примесей). Технологическая схема производства спирта из зерна и картофеля приведена на рис. 2.

Очистка картофеля (от примесей, камней, соломы и т. д.) происходит на гидравлическом транспортере, по которому с помощью воды его подают в производство. Затем сырье моют в картофелемоечных машинах, измельчают на молотковых дробилках или в картофелетерках.Разваривание крахмалсодержащего сырья подготовливает сырье к воздействию амилолитических ферментов путем разрушения клеточной структуры и растворения крахмала при высокой температуре. Разваривание осуществляют при непосредственном введении в сырье водяного насыщенного (острого) пара под давлением не менее 0,4-0,6 МПа. Этот процесс называется также водно-тепловой обработкой сырья.

Полное растворение крахмала достигается при температуре 130-160 °С в зависимости от происхождения сырья. Небольшая его часть разрушается до продуктов распада крахмала: декстринов, мальтозы, глюкозы. Другие вещества зерна и картофеля также претерпевают различные изменения. На качестве спирта отрицательно сказывается разрушение пектиновых веществ, идущее с образованием метилового спирта, термический распад сахаров -- с образованием оксиметилфурфурола и фурфурола. Концентрация этих примесей нормируется в готовом продукте. В настоящее время процесс разваривания проводят следующими способами: периодическим, полунепрерывным, непрерывным. При наиболее распространенном непрерывном разваривании замес или картофельная каша подогревается сначала вторичным, затем острым паром до температуры разваривания и выдерживается при этой температуре, продвигаясь по варочным аппаратам.

Осахаривание разваренной массы заключается в обработке охлажденной разваренной массы осахаривающими материалами (солодовым молоком или ферментными препаратами). Основной и наиболее важный процесс при осахаривании -- ферментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, поэтому процесс и называют осахариванием.

Сначала разваренную массу охлаждают до 57-61 °С (в зависимости от выработанного вида осахаривающего материала и способа осахаривания), затем смешивают с осахаривающим материалом. Собственно осахаривание проводят периодическим или непрерывным способом. Полученный в результате полупродукт -- сусло спиртового производства -- имеет массовую долю СВ 16-18 %, в том числе 13-15 % сбраживаемых сахаров. До температуры брожения (18-22 °С) осахаренное сусло охлаждают в теплообменниках или с помощью вакуума.[9]

Заключение

Благодаря своей функции разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание в организме огромного числа химических реакций. В настоящее время выделены и изучены сотни ферментов известно, что живая клетка может содержать до 1000 различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию. Важно подчеркнуть, что изучение ферментов имеет огромное значение для любой фундаментальной и прикладной области биологии, а также для многих практических отраслей химической, пищевой и фармацевтической индустрии, занятых приготовлением катализаторов, антибиотиков, витаминов и многих других биологически активных веществ, используемых в народном хозяйстве и медицине. Роль ферментов в жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов колоссальна. Благодаря каталитической функции разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание в организме и вне его огромного числа химических реакций. В природе под каталитическим воздействием ферментов осуществляются процессы гидролиза, фосфоролиза, переноса различных групп (метильные радикалы, остатки фосфорной кислоты и т. д.), окисления и восстановления, расщепления и синтеза, изомеризации и т. п.

В частности они катализируют реакции синтеза и распада нуклеиновых кислот, участвуют в процессе пищеварения, катализируют реакции анаэробного окисления и процесс свертывания крови. Практически все химические преобразования в живом веществе протекают с помощью ферментов. Естественно поэтому, что каталитическая функция ферментов лежит в основе жизнедеятельности любого организма

Размещено на Allbest.ru