Назначение органических кислот в питании определяется их энергетической ценностью: яблочная кислота - 2,4 ккал/г, лимонная - 2,5 ккал/г, молочная - 3,6 ккал/г, а также активным участием в обмене веществ.

Органические кислоты обладают широким спектром биологического действия. Бензойная и салициловая кислоты (цветков ромашки, таволги, коры ивы, черной и красной смородины) обладают антисептическим свойством. Производные кофейной и других оксикоричных кислот, содержащиеся в листьях подорожника и мать-и-мачехи, побегах артишока и других растениях, оказывают желчегонное, противовоспалительной действие. Уроновые кислоты и их производные (пектины), содержащиеся в мякоти плодов и ягод (яблок, айвы, груш, абрикосов, крыжовника, малины, вишни, персика и др.), обладают детоксицирующими свойствами и способствуют выведению тяжелых металлов из организма человека, холестерина.

Органические кислоты оказывают благоприятное влияние на процесс пищеварения. Они снижают рН среды, способствуя созданию определенного состава микрофлоры, активно участвуют в энергетическом обмене веществ (цикл Кребса), стимулируют сокоотделение в желудочно-кишечном тракте, улучшают пищеварение, активизируют перистальтику кишечника, способствуя снижению риска развития многих желудочно-кишечных и других заболеваний, обеспечивая ежедневный стул нормальной структуры, тормозят развитие гнилостных процессов в толстом кишечнике.

Галловая кислота содержится в листьях чая и других растениях, ее производные (пропилгаллат и др.) оказывают противовирусное действие, а также используются в качестве антиокислителей в пищевой промышленности.

Тартроновая кислота, в больших количествах содержащаяся в капусте, сдерживает превращение углеводов в жиры, предупреждая тем самым ожирение, атеросклероз. Щавелевая кислота способна в виде кальциевой соли (оксалат кальция) откладываться в суставах или формировать камни в мочевыводящих путях. Поэтому злоупотреблять растениями, содержащими высокое количество этой органической кислоты, не следует. Много щавелевой кислоты содержится не только в щавеле и шпинате, но и в незрелом крыжовнике, листьях крапивы.

Основные источники пищевых кислот - растительное сырье и продукты его переработки. Органические пищевые кислоты, содержатся в большинстве видов растительных пищевых объектов - ягодах, фруктах, овощах, в том числе в корнеплодах, лиственной зелени. Наряду с сахарами и ароматическими соединениями они формируют вкус и аромат плодов и, следовательно, продуктов их переработки.

48. Методы определения кислот в пищевых продуктах

В основе определения активной кислотности - рН различных пищевых систем лежат стандартные методы, описанные в руководствах по аналитической химии. К ним относятся калориметрический и электрометрический методы. Определение потенциальной кислотности, характеризующей общее содержание веществ, имеющих кислотный характер, основано на титровании этих веществ сильными основаниями (щелочами). Для различных пищевых продуктов характерны свои особые условия титрования, результаты которых представляют в соответствующих кислотных числах. Кислотность твердых пищевых продуктов определяют титрованием водных вытяжек растворами щелочей, а кислотность жидких продуктов - путем титрования навесок или объемов. При титровании определяют суммарное содержание в продукте свободных кислот и кислых солей. Результаты титрования выражают в процентах по преобладающей в продукте кислоте или в градусах. Поскольку в лимонах преобладает лимонная кислота, то кислотность лимонов рассчитывают по лимонной кислоте, кислотность винограда - по винной, яблок, груш, слив и томатов - по яблочной, квашеной капусты, молока и кисломолочных продуктов - по молочной. Пример. Для определения кислотности молока берут 10 мл молока, добавляют индикатор и титруют 0,1 и. раствором щелочи. Количество пошедшей на титрование щелочи умножают на 0,009 и получают содержание в молоке молочной кислоты в процентах. Число 0,009 соответствует количеству граммов молочной кислоты, необходимому для приготовления 1 мл 0,1 н. ее раствора. Для приготовления 1 л 0,1 н. раствора надо брать 9 г молочной кислоты, так как это одноосновная оксикислота и ее молекулярный вес равен 90. Под градусом кислотности подразумевается количество миллилитров одно- или децинормальной щелочи, необходимое для нейтрализации кислот и кислых солей, которые содержатся в 100 г или 100 мл испытуемого продукта. Так, кислотность муки выражается в градусах количеством миллилитров 1 н. раствора щелочи, необходимым для нейтрализации кислот в 100 г муки, а кислотность крахмала - числом миллилитров 0,1 н. раствора щелочи на 100 г крахмала. В пищевых продуктах наряду с нелетучими могут находиться летучие кислоты - уксусная, муравьиная, масляная и другие, которые перегоняются с парами воды. По количеству летучих кислот можно судить о качестве таких продуктов, как вино, пиво, плодово-ягодные и овощные соки и др. Допускаемые стандартами нормы летучих кислот должны соответствовать тем количествам, которые могут получиться в продукте из полноценного сырья и при нормальном ходе технологического процесса. Существующие методы определения летучих кислот подразделяют на прямые и косвенные. При прямых методах сначала отгоняют летучие кислоты, которые затем оттитровывают щелочью. При косвенных методах сначала определяют общее количество кислот в растворе, после чего путем выпаривания из него удаляют летучие кислоты и в Анализ кислотного состава пищевого продукта дает возможность обнаружить фальсификацию или подтвердить его натуральность. Для определения содержания органических кислот используют как стандартные, так и альтернативные методы контроля. Официальный метод анализа молочной кислоты основан на ее окислении перманганатом калия до уксусного альдегида, который определяют иодометрически. Наиболее известные методы определения винной кислоты базируются на щелочном титровании выпадающего винного камня. Большинство органических кислот можно определить хроматографическими методами. К альтернативным относятся методы, основанные на использовании ферментативных систем. Характерными особенностями ферментативного анализа являются специфичность, обеспечивающая достоверность результатов, высокие точность и чувствительность.

49. Особенности и единицы активности ферментов

Биохимические процессы, протекающие при хранении сырья и при производстве пищевых продуктов, связаны с действием собственных ферментов пищевого сырья, а также ферментов, вносимых в ходе технологического процесса в виде ферментных препаратов. Последние могут быть животного, растительного или микробного происхождения.

Наиболее древние ферментативные процессы, освоенные человеком - спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга при приготовлении сыров, использование солода и плесневых грибов для осахаривания крахмалистого сырья, применение заквасок при изготовлении хлеба.

В настоящее время многие отрасли пищевой промышленности, в медицине и сельском хозяйстве основаны на использовании различных ферментативных процессов.

Ферменты - биологические катализаторы белковой природы. Ферменты ускоряют химические реакции в 100-1000 раз благодаря потому, что при взаимодействии с субстратом они образуют фермент-субстратный комплекс, и для этого требуется значительно более низкая энергия активации (по сравнению с протеканием реакции без фермента); на второй стадии этот комплекс распадается на продукты реакции и свободный фермент, который может взаимодействовать с новой молекулой субстрата.

Многие ферменты являются двухкомпонентными, то есть состоят из белковой части - апофермента и связанного с ним небелкового компонента - кофермента, участвующего в действии фермента в качестве обязательного кофактора. В качестве коферментов могут выступать витамины и их производные, нуклеотиды и нуклеозиды.

Единицы активности ферментов. Для характеристики активности ферментов используются различные едицицы:

Стандартная единица фермента - это такое количество фермента, которое катализирует превращение одного микромоля данного субстрата за одну минуту при заданных условиях. Стандартная единица фермента обозначается буквой Е (единица) или буквой U (unit).

Катал -каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью равной 1 молю в секунду в заданной системе измерения активности. Каталитическая активность в 1 катал (кат) при практическом применении оказывается слишком большой величиной, поэтому в большинстве случаев каталитические активности выражают в микрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат) или пикокаталах (пкат). Стандартная единица фермента находится с каталом в следующем соотношении: 1 Е (U) = 16,67 нкат.

В большинстве случаев ферменты обладают строгой специфичностью, а также лабильны, то есть могут изменять свою активность под действием рН, температуры, в присутствии активаторов и ингибиторов и др.

Активаторами называют вещества, которые повышают активность ферментов. В роли активаторов могут выступать некоторые металлы, аминокислоты и др. вещества. Ингибиторами называют вещества, снижающие активность ферментов.

50. Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции

Скорость ферментативных реакций зависит от количества фермента в среде. Когда в среде субстрата достаточно, скорость ферментативной реакции возрастает пропорционально увеличению количества фермента. Графически это выглядит следующим образом (

Эта зависимость справедлива только в определённых условиях, например, в начальный период ферментативной реакции, т.к. в этот период практически не происходит обратной реакции, а концентрация продукта оказывается недостаточной для обратимости реакции. Именно в этом случае скорость реакции (точнее, начальная скорость реакции) будет пропорциональна концентрации фермента.

Скорость ферментативной реакции в сильной степени зависит от концентрации субстрата в среде. При низкой концентрации субстрата скорость реакции возрастает пропорционально его концентрации. Однако по мере увеличения концентрации эта пропорциональность нарушается, скорость реакции растёт всё медленнее. Происходит насыщение фермента субстратом, при этом молекулы фермента находятся в форме ES (полное насыщение), скорость реакции становится максимальной (Vm). Очевидно, что при полунасыщении (т.е. когда половина молекул фермента находится в форме ES) скорость реакции равна ЅVm. В этом заключается ещё одна особенность ферментативных реакций, не свойственная реакциям, протекающим в отсутствии ферментов. Если ещё дальше повышать концентрацию субстрата, то скорость реакции достигнет постоянного уровня, становится постоянной, не зависящей от концентрации субстрата. В этих условиях фактором, лимитирующим скорость ферментативной реакции, становится концентрация фермента в среде.

Изучение влияния концентрации субстрата на скорость ферментативных реакций позволило Л. Михаэлису и Ментен создать основы теории ферментативной кинетики.Они вывели классическое уравнение, описывающее гиперболическую зависимость в координатах V-[S]; при увеличении концентрации субстрата скорость ассиметрически стремится к Vm:

Одним из основных выводов этой теории является установление константы Михаэлиса, графическое изображение которой представлено на рис.5. Если скорость реакции при высоких концентрациях субстрата достигает некоторой максимальной величины Vm, то концентрация субстрата [S], при которой V=Vm/2, называется константой Михаэлиса Km, т.е. Km=[S]. Таким образом, константа Михаэлиса равна концентрации субстрата (моль/л), при которой скорость ферментативной реакции составляет половину от максимальной.

Более низкие значения Km означают, что ферментативный катализ происходит более интенсивно.

51. Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов

Активаторами называют вещества, которые повышают активность ферментов. Примером таких соединений являются аминокислота цистин и восстановленный глютатион, содержащие свободную -SH-группу. Их активирующее действие заключается в том, что они восстанавливают дисульфидные связи с образованием -SH-групп, необходимых для проявления каталитической активности тиоловых ферментов. Кроме того, некоторые ферменты активируются металлами, которые либо участвуют в построении активного центра, либо стабилизируют пространственную конформацию ферментного белка и тем самым обеспечивают проявление каталитических функций. Активность фермента б-амилазы слюны человека повышается в присутствии анионов Cl?.

Ингибиторы замедляют скорость биохимических реакций, а в ряде случаев полностью приостанавливают её. Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым. При необратимом ингибировании ингибитор ковалентно связывается с ферментом, необратимо изменяя его нативную конформацию. После удаления ингибитора активность фермента не восстанавливается.

Одним из широко известных типов необратимого ингибирования является действие алкилирующих агентов, образующих прочные ковалентные связи с -SH- группами фермента. Необратимыми ингибиторами также являются цианиды, подавляющие активность ферментов цитохромов, содержащих железо; этилендиаминтетраацетат (ЭДТА), подавляющий действие б-амилазы, за счёт связывания с ионами Ca+2 (кофактора б-амилазы).

При обратимом ингибировании активность фермента восстанавливается после удаления ингибитора. Обратимые ингибиторы бывают конкурентного, неконкурентного, бесконкурентного и смешанного действия. аминокислота белок недостаточность глицерофосфолипид

Первая группа - это близкие аналоги субстратов, содержащие весь набор или, по крайней мере, большую часть групп, узнаваемых активным центром фермента, и поэтому образующие комплекс фермент-ингибитор, сходный с комплексом фермент-субстрат. Однако в силу специфики своей структуры они не подвергаются ферментативному превращению. Занимая активный центр, эти ингибиторы препятствуют связыванию субстрата и тем самым протеканию ферментативной реакции. Они фактически конкурируют с субстратом за взаимодействие с активным центром и поэтому их называют конкурентными ингибиторами. Например, структурные аналоги янтарной кислоты - щавелевая, малоновая, щавелево-уксусная - являются конкурентными ингибиторами фермента сукцинатдегидрогеназы, катализирующей окисление янтарной кислоты в фумаровую:



Янтарная Щавелевая Малоновая Щавелево-

кислота кислота кислота уксусная кислота

Конкурентное ингибирование может быть снято при увеличении концентрации субстрата.

Неконкурентное ингибирование отличается от конкурентного тем, что оно не может быть снято увеличением концентрации субстрата. Неконкурентный ингибитор подавляет каталитическое превращение субстрата в продукты реакции. Полагают, что при неконкурентном ингибировании ингибитор связывается с функционально важной группой фермента, не препятствуя связыванию субстрата, при этом деформируется активный центр, что приводит к нарушению комплементарности к субстрату и снижению активности фермента.

Бесконкурентное ингибирование наблюдается в том случае, когда ингибитор связывается с фермент-субстратным комплексом ES, переводя его в неактивную форму.

При смешанном ингибировании ингибитор действует как на участок связывания, так и на каталитический центр фермента.

52. Механизм ферментативной реакции

Согласно теории Фишера активный центр фермента имеет жесткую структуру, комплементарную структуре субстрата. Американский исследователь Кошланд выдвинул теорию «индуцированного соответствия», согласно которой конформация молекулы фермента и его активного центра может индуцироваться взаимодействием с коэнзимом и субстратом.

Экспериментальные данные показывают, что при присоединении фермента к субстрату происходит изменение ряда физико-химических показателей ферментного белка.

Выделяют 4 фактора, определяющих каталитическую активность ферментов:

1) Сближение и ориентация субстрата по отношению к каталитической группе. Фермент способен связывать молекулу субстрата так, что атакуемая связь располагается вблизи от каталитической группы и правильно ориентируется относительно нее в пространстве.

2) Напряжение и деформация: индуцированное соответствие. Присоединение субстрата может вызвать Конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к напряжению структуры активного центра, к некоторой деформации связанного субстрата, облегчая тем самым достижение комплексом ES необходимого состояния.

3) Общий кислотно-основной катализ. Кислотно-основные группы аминокислотных остатков в активном центре являются хорошими донорами или акцепторами протонов и поэтому представляют собой мощные катализаторы.

4) Ковалентный катализ. В ходе реакции некоторые ферменты образуют нестабильные, ковалентно связанные фермент-субстратные комплексы.

Эти факторы реализуются в разных ферментах в различных сочетаниях, вносят различный вклад в ускорение химических реакций, в результате чего механизм действия каждого фермента уникален.

Классификация и номенклатура ферментов. Классификация и номенклатура ферментов основывается на принципе специфического признака, которым является катализируемая химическая реакция. В основе классификации лежат три положения:

- все ферменты делятся на 6 классов по типу катализируемой реакции;

- каждый фермент получает систематическое название, включающее название субстрата, тип катализируемой реакции и окончание «аза». Существуют и тривиальные названия;

- каждому ферменту присваивается четырехзначный шифр. Первое число указывает класс ферментов, второе - подкласс, третье - подподкласс, четвертое - порядковый номер фермента в подподклассе.

Классы ферментов:

1 класс - оксидоредуктазы - катализируют окислительно-восстановительные реакции;

2 класс - трансферазы - катализируют перенос атомных группировок с одного соединения на другое;

3 класс - гидролазы - катализируют реакции гидролиза:

R-R1 + H-OH" R-OH + R1-H

4 класс - лиазы - катализируют реакции негидролитического отщепления групп от субстрата с образованием двойной связи или присоединение группировок по месту разрыва двойной связи (отщепление Н2О, СО2, NH3 и др.);

5 класс - изомеразы - катализируют реакции изомеризации внутри молекулы;

6 класс - лигазы (синтетазы) - катализируют реакции синтеза, сопряженные с разрывом АТФ и др. (при этом возможно образование С-С-; C-S-; C-O-; C-N-связей).

Для технологов интерес представляют классы оксидоредуктаз и гидролаз, ферменты которых непосредственно участвуют и имеют значение при хранении, переработке сырья и в производстве пищевых продуктов.

53. Роль ферментов класса гидролаз в пищевых технологиях

К числу важнейших гидролаз относится липаза, гидролизующая распад жира. Действие липазы имеет большое значение при хранении муки и крупы. В целом зерне липаза и липоксигеназа неактивны. В продуктах переработки их активность увеличивается, особенно если зерно хранят при повышенной температуре и высокой относительной влажности воздуха. При этом вначале возрастает кислотность продукта. При длительном хранении происходит прогоркание этого продукта. Этот процесс - следствие действия двух ферментов - липазы и липоксигеназы. Образующиеся за счет действия липазы свободные жирные кислоты быстрее окисляются липоксигеназой, чем связанные, т.е. липаза подготавливает субстрат для действия липоксигеназы.

Для предотвращения прогоркания муки необходимо инактивировать оба фермента. Для этого зерно перед помолом обрабатывают паром.

Из амилолитических ферментов наибольшее значение имеют a-, b- амилазы и глюкоамилазы. a - Амилаза расщепляет крахмал с образованием низкомолекулярных декстринов и незначительного количества мальтозы. При действии b- амилазы на крахмал в основном образуется мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. Полное расщепление крахмала до мальтозы возможно при действии обоих амилаз.

Источник a- амилазы - солод и ферментные препараты.

Реакция гидролиза крахмала ферментами является основной в ряде пищевых технологий.

При получении жидких дрожжей в состав питательной среды для размножения дрожжевых клеток должны входить сахара. Они образуются за счет добавления в заваренную муку светлого солода, при этом клейстеризованный крахмал быстро гидролизуется амилазами солода до мальтозы.

В спиртовой промышленности источником сахара, который сбраживается, является крахмал зерна или картофеля.

В пивоваренной промышленности основное сырье - ячменный солод. После дробления его смешивают с водой (эта операция называется затиранием, а смесь солода с водой - затором). При затирании в результате ферментативного гидролиза крахмала, гемицеллюлоз, гумми-веществ, белков часть сухих веществ затора переходит в раствор. Осахаривание крахмала не доводят до конца, т.к. в пиве должны остаться неосахаренные декстрины, придающие ему вкус и вязкость и способствующие пенообразованию.

Существуют различные способы предотвращения нежелательного потемнения изделий. Один из них заключается в химической обработке продукта перед сушкой - сульфитации, другие - в термической обработке картофеля, плодов и овощей перед сушкой. Чаще всего этого достигают путем бланширования: продукт на несколько секунд погружают в кипяток или обрабатывают паром. Фермент при этом разрушается и в процессе сушки уже не действует, а продукт получается светлым.

54. Роль оксидоредуктаз при производстве и хранении пищевых продуктов

Большое практическое значение из класса оксидоредуктаз имеет фермент полифенолоксидаза, который действует в присутствии кислорода воздуха на монофенолы, о-дифенолы, полифенолы, дубильные вещества с образованием темноокрашенных соединений - меланинов.

В состав этого фермента входит медь. Если каким-либо способом связать медь, то фермент полностью теряет свою активность.

Полифенолоксидазу используют при производстве чая. При переработке зеленые листья подсушиваются и скручиваются в трубочку. В процессе последней операции происходит механическое разрушение значительной части клеток, что обеспечивает хороший контакт дубильных веществ чайного листа (субстрата) с ферментом. Затем скрученный лист выдерживают определенное время при соответствующей температуре и высокой относительной влажности воздуха, т. е. создают условия для ферментации, при которой происходят окисление дубильных веществ полифенолоксидазой и образование темноокрашенных соединений, придающих цвет чаю

Процессы ферментации, связанные с окислением дубильных веществ ферментами, протекают также при обработке какао-бобов.

Большое значение имеет этот фермент при производстве ржаного хлеба. При выпечке последнего происходит ферментативный процесс образования меланинов за счет действия полифенолоксидазы муки на свободный тирозин.

В ряде производств эта биохимическая реакция может играть отрицательную роль, например при использовании пшеничной муки, способной к потемнению при получении хлеба и макаронных изделий. Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение на воздухе срезов картофеля, яблок, что ухудшает цвет продуктов их переработки (хрустящего картофеля, сухофруктов и др.)

Аскорбинатоксидаза окисляет аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую. Действие этого фермента нежелательно при сушке различных пищевых продуктов, в частности яблок, картофеля, овощей, так как образующаяся дегидроаскорбиновая кислота легко подвергается распаду. В результате этого снижается содержание витамина C в продукте, что сказывается на его пищевой ценности. Для инактивации фермента применяют сульфитацию или бланширование продуктов.

Липоксигеназа в присутствии кислорода воздуха окисляет ненасыщенные жирные кислоты, в основном линолевую и линоленовую, превращая их в пероксиды. Последние являются сильными окислителями: они действуют на насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, каротиноиды, витамин A, аскорбиновую кислоту и аминокислоты. В результате образуются альдегиды и кетоны, которые придают изделиям неприятный запах и вкус.



55. Применение ферментов в мукомольном производстве и хлебопечении

Для решения проблемы со стабильностью качества предприятия мукомольной промышленности практикуют внесение непосредственно в муку различных ингредиентов, в основном окислительного действия, таких как аскорбиновая кислота или ферментные препараты, в частности стандартную альфа-амилазу или более технологически продвинутую гемицеллюлазу. Ингредиенты добавляют в муку для стандартизации и оптимизации технологических параметров. Широкий ассортимент ферментных препаратов дает производителям возможность оптимизировать практически любой тип муки до соответствия требованиям стандартного качества.

С деятельностью ферментов человечество знакомо очень хорошо с древних времен, хотя и не догадывалось об этом. Испокон веков люди знали способы приготовления хлеба, вина, пива, сыра, различных соусов и т. п., в которых главную роль играют процессы брожения, то есть микроорганизмы и выделяемые ими ферменты. В современном мире бурное развитие биотехнологий, научные открытия в области энзимологии сделали ферментные препараты одними из самых активных участников многих пищевых технологий. Использование ферментов позволяет значительно ускорять технологические процессы, увеличивать выход готовой продукции, повышать ее качество, экономить ценное сырье и др.

Ферменты (энзимы) -- биологические катализаторы белковой природы, способные во много раз ускорять химические реакции, протекающие в животном и растительном мире. Для получения ферментных препаратов пищевого назначения используют органы и ткани сельскохозяйственных животных, культурные растения (ананас, соя, папайя, инжир) и специальные штаммы микроорганизмов. В настоящее время наибольшее применение нашли ферменты микробного происхождения.

В технологии пищевых продуктов применяются ферментные препараты с амилолитической, протеолитической, липолитической, пектолитической, оксидазной активностью. Они используются в пивоварении, виноделии, хлебопечении, при производстве спирта, фруктовых и овощных соков, дрожжей, сыра, творога, мясо- и рыбопродуктов, белковых гидролизатов, инвертного сиропа, при переработке крахмала.

Новые технологии позволяют расширить сферу применения ферментных препаратов. На сегодняшний день можно насчитать около 15 отраслей пищевой промышленности, где с успехом используют ферменты, причем в каждой отрасли отдельная группа ферментов обеспечивает достижение конкретных целей, позволяющих либо улучшить качество продукта, либо увеличить выход данной продукции или удешевить процесс, а значит, снизить себестоимость продукции. Так, например, в хлебопечении применение ферментов способствует снижению расхода муки, улучшению качества теста, замедляет черствение, а также позволяет расширить производство охлажденного и замороженного теста, выпечка из которого пользуется большой популярностью. По данным ряда аналитических служб, европейский рынок пищевых ферментов постоянно расширяется и наращивает свои объемы, прибавляя ежегодно 8 %, и, по мнению специалистов, к 2011 году должен в денежном выражении достичь объема в 846,2 млн евро. Одно из наиболее успешно развивающихся направлений -- ферменты для выпечки. По данным Frost and Sullivan, этот сегмент, занимающий около трети всего рынка пищевых ферментов, за последние пять лет вырос почти на 40 %.

Мука представляет собой продукт природного происхождения, и содержание альфа-амилазы в ней варьируется от партии к партии. Отклонения в качестве, возникающее в результате смены условий произрастания и погоды, можно компенсировать внесением в муку грибковой альфа-амилазы непосредственно в процессе производства муки. Эффектом действия является расщепление крахмала. При этом достигается ряд технологических преимуществ: улучшение муки за счет расщепления крахмала; интенсификация газообразующей способности, а следовательно, увеличение объема выпечки; улучшение цвета корочки и аромата за счет эффекта реакции Майяра.

Для измерения уровня активности альфа-амилазы в муке используются различные методики. Метод определения по числу падения относится к общепризнанным стандартам, позволяющим определить уровень автолитической активности муки. Высокое число падения указывает на низкий уровень активности природной альфа-амилазы, низкое число падений, наоборот, на высокий уровень активности природной альфа-амилазы. Оптимальный уровень числа падения лежит в диапазоне от 250 до 300 для шеничной муки. Высокое число падения можно отрегулировать добавлением ферментного препарата. В другом случае муку из пророщенной пшеницы необходимо смешивать с мукой с высоким числом падения так называемой подсортировкой или использовать нестандартную муку как фуражную. В качестве альтернативы данной методике используют амилограф. Он определяет поведение муки при клейстеризации и активность фермента альфа-амилазы. Принцип действия заключается в приготовлении суспензии из муки и воды при подогреве, в процессе изменяется вязкость суспензии. Диаграмма вязкости строится в зависимости от времени или температуры. Ниже приведены графики амилограмм пшеничной и ржаной муки на приборе амилограф компании «Брабендер» (Германия).

56. Применение ферментов в производстве крахмала и крахмалопродуктов

Современная крахмало-паточная промышленность, используя в основном традиционные источники сырья -- картофель и кукурузу, -- вырабатывает большой ассортимент продукции, включающий десятки наименований, которые используются в различных отраслях промышленности. В первую очередь это отрасли пищевой промышленности (кондитерская, хлебопекарная, молочная, консервная, пищеконцентратная и т.д.), а также другие отрасли (медицинская, текстильная, полиграфическая и др.).

Основными продуктами крахмалопаточного производства являются: -- сухой крахмал;

--модифицированные крахмалы: расщепленные крахмалы (окисленные и набухающие); замещенные крахмалы (фосфатные, ацетилированные, сополимеры крахмала);

--декстрины;

--различные виды крахмальных паток: карамельная (38--44% РВ), карамельная низкоосахаренная (30--34% РВ), глюкозная высокоосахаренная (44-60% РВ), мальтозная (не менее 60% РВ);

--глюкоза (техническая, пищевая, кристаллическая);

--глюкозо-фруктозные сиропы.

В настоящее время в России ведется поиск новых источников крахмала и разработка новых технологических приемов с целью увеличения объема и расширения ассортимента вырабатываемых сахаристых крах-мало-продуктов. Одним из таких перспективных видов крахмалсодер-жащего сырья является зерновое сорго, которое может быть использовано наряду с картофелем, кукурузой, рисом и пшеницей. Кроме того, ведется поиск и исследование новых амилолитических ферментных препаратов и способов ферментативного получения сахарных сиропов (гид-ролизатов) различного углеводного состава с учетом их целевого назначения.

Применение амилаз.Ферментные препараты амилаз нашли широкое применение в технологиях получения различных паток и глюкозы.

Первой технологической операцией производства крахмальных гид-ролизатов является гидролиз крахмала. Его проводят кислотным, кислотно-ферментативным или ферментативным способом. Во всех случаях процесс гидролиза включает стадии клейстеризации крахмала, разжижения крахмального клейстера и его осахаривания.

Кислотный гидролиз в настоящее время осуществляется, в основном, с применением соляной кислоты. При этом можно достичь различной степени гидролиза и получить гидролизаты с различной степенью осахаривания. Однако кислотный гидролиз крахмала, несмотря на дешевизну и быстроту процесса, имеет весьма существенные недостатки: получаемые гидролизаты имеют невысокое качество из-за присутствия в них продуктов деградации белков, а также минеральных примесей, которые образуются при нейтрализации кислоты после гидролиза.

Кислотно-ферментативным методом производят разжижение крахмала сначала кислотой, для этого суспензию крахмала подкисляют соляной кислотой до рН 1,8--2,5, нагревают до 140°С в течение 5 мин. Затем нейтрализуют раствором кальцинированной соды до рН 6,0--6,5 и охлаждают до 85°С, после чего добавляют ферментный препарат б-амилазы и ведут гидролиз в течение 30 мин.

С целью разжижения на этой стадии используют ферментный препарат амилосубтилин Г10Х. Этот препарат выпускается в виде порошка;

содержит в основном б-амилазу и в-глюконазу. Оптимальные условия действия препарата: рН 6,2-6,8, температура -- 85--87°С.

Осахаривание полученного гидролизата также проводят с использованием ферментов. Для этой цели наиболее широко применяют порошкообразный ферментный препарат глюкавомарин Г20Х.Препарат содержит в основном глюкоамилазу. Оптимальные условия действия препарата глюкоавомарина Г20Х: оптимум рН 4,0--5,5; оптимум температуры 56--58°С.

Ферментативный способ заключается в том, что 30--35%-ю крахмальную суспензию прогревают до 55°С, доводят рН до 6,3-6,5, добавляют раствор ферментного препарата амилосубтилина Г10Х и раствор кальцинированной соды в качестве стабилизатора. Процесс разжижения длится в течение 1 часа при температуре 85--90°С при непрерывном перемешивании. Далее стадия декстринизации и осахаривания проводится с использованием препаратов амилосубтилина Г10Х, амилоризина Г10Х и П10Х. Этот процесс идет 2--3 ч при температуре от 53 до 85°С и рН 4,7--5,5. Дальнейшее осахаривание ведут при 60°С и оптимальном рН, а продолжительность осахаривания зависит от желаемого результата (требуемой степени осахаривания). Инактивацию фермента и остановку процесса гидролиза производят нагреванием продукта при 80°С в течение 20 мин.

Ферментный препарат амилоризин П10Х и ферментный препарат ами-лоризин Г10Х имеют оптимальные условия действия: рН 4,8--5,3 и температуру 53-55°С.

Применение глюкозоизомеразы.Фермент глюкозоизомераза (Н.Ф. 5.3.1.18) катализирует реакцию изомеризации глюкозы во фруктозу, то есть превращение альдозы в кетоформу за счет внутримолекулярного процесса окисления одной части молекулы и соответствующего восстановления другой части. Фермент обнаружен в растениях и продуцируется различными микроорганизмами. В промышленности преимущественно используются препараты глюкозоизомеразы, продуцируемые микроорганизмами, которые относятся к роду Streptomyces, а также к родам Aerobacter и Lactobacillus.

На реакции ферментативной изомеризации основана технология получения глюкозно-фруктозных сиропов из крахмала. Для получения глю-козно-фруктозных сиропов используют гидролизаты кукурузного крахмала с высоким содержанием крахмала (96--98%), полученные с помощью ферментативного гидролиза. Процесс изомеризации под действием иммобилизованного (закрепленного на носителе) ферментного препарата глюкозоизомеразы длится в течение 20--24 часов (до содержания в гидролизате 42% фруктозы и 52% глюкозы). В ходе процесса необходимо контролировать и поддерживать оптимальные условия для работы 328 фермента: температура 60°С, рН 7,0--8,5. Кроме того, для повышения активности фермента и его стабильности в субстрат добавляют ионы магния и кобальта (в виде растворимых солей), а также бисульфит для предупреждения развития микрофлоры. Ионы кальция ингибируют фермент.Иммобилизованные препараты глюкозоизомеразы характеризуются двумя важными показателями: период полужизни препарата, то есть время, за которое активность фермента снижается наполовину (при оптимальных условиях проведения процесса), и продуктивность, то есть количество килограммов глюкозы (на абсолютное СВ), изомери-зованное 1 кг или 1 л ферментного препарата при многократном использовании. Для большинства препаратов период полужизни -- 20--35 сут, продуктивность -- до 2000 кг глюкозы на 1 кг фермента.

Полученные с помощью ферментативной изомеризации глюкозо-фруктозные сиропы обладают более высокой степенью сладости, по своим свойствам они близки к инвертному сахару, благодаря чему широко применяются при производстве детского и диетического питания, хлебобулочных изделий, безалкогольных напитков, кондитерских изделий, мороженого и т. д.

57. Применение ферментов в кондитерском производстве

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.

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.

Использование липоксигеназы как улучшителя окислительного действия требует определенной осторожности, так как хорошо известна токсичность переокисленных жиров. Интенсивное окисление липоксигеназой свободных жирных кислот может сопровождаться вторичными процессами образования веществ различной химической природы с неприятным вкусом и запахом, характерным для прогорклого продукта. Технологически приемлема ограниченная степень окисления полиненасыщенных жирных кислот как промежуточного звена преобразования других компонентов биологического материала, не приводящая к накоплению фракции окисленных липидов.

Качество хлеба определяется особенностями химического состава муки и активностью ее ферментного комплекса. Значительное влияние оказывают также условия брожения и выпечки. Получить хлеб хорошего качества можно только в том случае, когда в процессе тестоведенйя гармонически сочетаются скорости микробиологических процессов и биохимических превращений. Ферментативный гидролиз высокомолекулярных компонентов сырья -- белков и углеводов -- в определенной степени способствует интенсификации этих превращений и, в конечном счете, положительно сказывается на качестве хлеба.

Если раньше в качестве источника ферментов использовали солод, то в последние годы все большие масштабы приобретает применение ферментных препаратов для регулирования биокаталитических процессов, протекающих при приготовлении теста и выпечки хлеба. Основным препаратом, широко внедренным в хлебопекарную промышленность, является амилоризин П10Х. Препарат получают из поверхностной культуры A. oryzae осаждением этанолом. Он обладает амилоли-тической и протеолитической активностью. В соответствии с ГОСТом препарат должен удовлетворять следующим требованиям: амилолитическая способность -- 2000 ед/г препарата; осахаривающая способность -- 150 ед/г препарата; протеолитическая активность -- 7 ед/г препарата. Кроме того, особо важное значение для хлебопекарной промышленности имеет степень обсемененности препарата спорами Вас. mesentericus (картофельная палочка) и Вас. subtilis (сенная палочка). Существенный признак поражения хлеба картофельной палочкой -- тягучий мякиш и появлений специфического неприятного запаха и вкуса. Поэтому на хлебозаводах при выработке хлеба с использованием препарата амилоризина ШОХ каждую партию препарата проверяют на обсемененность спорами Вас. mesentencus (она не должна превышать величину 10s). При производстве мучных кондитерских изделий с использованием дрожжей, таких как галеты, крекеры, кексы, целесообразно применение комплексных препаратов с преобладанием протеолитического действия, но содержащих в своем составе и б -амилазу. Совокупное действие этих ферментов обеспечивают дрожжи сбраживаемыми сахарами и низкомолекулярными азотистыми веществами. Часть неиспользованных при брожении сахаров и азотистых веществ вступает в реакцию меланоидинообразования, благодаря чему галеты и крекеры приобретают интенсивную окраску и приятный аромат.

58. Применение ферментов в производстве плодово-ягодных соков, безалкогольных напитков и вин

Применение ферментных препаратов при производстве плодово-ягодных соков, вин и безалкогольных напитков осуществляется с целью повышения выхода сока, осветления и стабилизации соков, безалкогольных напитков и вин, предотвращения окислительных процессов в соках и в изготовляемых из них продуктах, а также для инверсии сахарозы при производстве безалкогольных напитков и сиропов. При этом в одних случаях необходимо иметь набор ферментных препаратов, содержащих определенный комплекс ферментов, в других -- требуются препараты индивидуальных ферментов. Кроме того, ферментные препараты должны удовлетворять требованиям, предъявляемым технологией получения конкретного продукта, не только по типу катализируемой реакции, но и в отношении условий их протекания.

В соответствии со спецификой плодово-ягодного сырья и целями применения ферментные препараты можно разделить на шесть групп:

препараты, предназначенные для получения неосветленных соков, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность;

препараты, предназначенные для получения осветленных соков, увеличивающие выход, повышающие экстрактивность и обеспечивающие полный гидролиз пектиновых и белковых веществ;

препараты, мацерирующие плодово-ягодную ткань, повышающие выход и гомогенность соков с мякотью;

препараты, предназначенные для получения осветленных плодово-ягодных виноматериалов, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность виноматериалов;

препараты, способствующие предотвращению окислительных процессов и развитию аэробных микроорганизмов в соках, винах, безалкогольных напитках;

препараты, катализирующие инверсию сахарных сиропов при производстве безалкогольных напитков и товарных сиропов.

Применение пектолитических ферментов. Основной биохимический процесс, протекающий в плодово-ягодной мезге и соке при их обработке пектолитическими препаратами или при совместном применении термической и ферментативной обработки, -- гидролиз пектиновых веществ. Но наряду с этим происходят превращения белков, целлюлозы, гемицел-люлозы и других компонентов сырья.

Поэтому ферментные препараты, используемые для получения полностью осветленного сока из большинства плодов и ягод, должны содержать не только пектолитические ферменты, но и ферменты, гидролизу-ющие другие коллоидные соединения, которые обуславливают опалес-ценцию соков и нестабильность изготовляемых из них вин и безалкогольных напитков.

Применение протеолитических ферментов. Некоторые плодово-ягодные соки и вина трудно осветляются и часто мутнеют при хранении из-за наличия в них белковых соединений. Устранение белкового помутнения может быть осуществлено посредством применения термической обработки и различных адсорбентов с последующей фильтрацией. Все эти методы обедняют химический состав продукта, ухудшают его качество, причем не всегда достигается положительный результат. Для многих видов сырья огромную роль в процессе осветления соков играют протеина-зы, в связи с чем наличие кислых протеиназ наряду с ферментами пекто-литического комплекса обязательно.

Применение мацерирующих ферментов. При производстве плодово-ягодных соков с мякотью размельчение плодовой ткани осуществляется механическим путем. Большинство видов сырья перед механическим измельчением подвергается термической обработке. Термическая обработка способствует кислотному гидролизу протопектина, в результате чего плодовая ткань размягчается и легче поддается механическому измельчению. Очевидно, что жесткие режимы обработки сырья ухудшают органолептические свойства и пищевую ценность продукта. Поэтому соки с мякотью часто содержат недостаточно тонко измельченную мякоть, негомогенную и расслаивающуюся при хранении. С позиции устранения указанных выше недостатков и получения гомогенных соков с мякотью, не подвергающихся расслаиванию, целесообразным является применение мацерирующих ферментных препаратов, расщепляющих протопектин, но не снижающих вязкость сока.

Пектолитические ферментные препараты, применяемые для увеличения выхода и осветления соков, непригодны для производства соков с мякотью, т. к. основным ферментом в них является эндополига-лактуроназа, резко снижающая вязкость сока. Гемицеллюлаза и цел-люлаза способствуют получению однородной консистенции соков с мякотью.

Применение глюкозооксидазы и каталазы. Ферментный препарат глюкозооксидаза (в котором в качестве обязательного компонента присутствует каталаза) применяется с целью улучшения качества и стабилизации плодово-ягодных соков, вин и безалкогольных напитков за счет удаления кислорода в результате реакции окисления глюкозы. Таким образом, этот препарат способствует предотвращению окислительных процессов и микробиологической порчи под действием аэробных микроорганизмов.

Препарат обладает строгой специфичностью по отношению к глюкозе, его вносят после завершения технологических процессов с целью стабилизации свойств продукта, полученного в процессе производства. Желательно, чтобы препараты были термостабильны и не инактивировались при температуре 65-70°С в течение 10-15 мин. Такие препараты можно было бы применять комплексно с легкими режимами пастеризации.

Ферментные препараты, применяемые в плодово-ягодном виноделии, должны сохранять активность в условиях определенного содержания алкоголя (до 10-12%) и эффективно действовать при значениях рН, обусловленных химическим составом виноматериалов.

Применение инвертазы. Препараты, катализирующие гидролиз сахарозы при приготовлении сахарных сиропов, используемых при производстве безалкогольных напитков, должны содержать фермент инверта-зу (в-фруктофуранозидазу), не должны иметь специфического запаха, темного цвета, окислительных или других ферментов, способных изменять цвет, аромат и вкус продукта.

Ферментные препараты, применяемые при переработке плодово-ягодного сырья, могут оказывать влияние на цвет изготовляемого продукта. В связи с этим плодово-ягодное сырье следует разделить на две группы: слабоокрашенное -- яблоки, айва, белые сорта слив и винограда и др.; окрашенные в красный цвет, т. е. содержащие вещества группы ан-тоцианов -- кизил, черника, ежевика, малина, земляника, красные сорта винограда и слив и т.п.

59. Применение ферментов в производстве спиртных напитков и пивоварении

Производство спиртных напитков из крахмалсодержащего сырья практикуется почти во всех странах мира. Крахмал, как основной компонент сухих веществ сырья, из которого и образуется спирт, непосредственно дрожжами не сбраживается. Поэтому его необходимо гидролизовать до сбраживаемых сахаров, для этого требуется применение ферментов.

Применяемый издавна зерновой солод, как источник амилолитичес-ких ферментов, обеспечивает достаточно глубокое осахаривание и вы-браживание только за трое суток. Активность протеиназ в процессе солодоращения возрастает примерно в 40 раз. Зерновой солод обладает и цитолитической активностью, обеспечивая определенную степень гидролиза клеточных стенок растительного сырья и тем самым улучшая контакт крахмала с ами-лолитическими ферментами.

Таким образом, применяемый в спиртовом производстве зерновой солод выполняет три основные функции: осуществляет гидролиз крахмала до сбраживаемых Сахаров; является источником азотистого питания для дрожжей и при осахаривании крахмалистого сырья производит частичное разрушение клеточных стенок сырья. Применяя ферментные препараты на стадии приготовления сусла для дрожжегенерации, необходимо обеспечить интенсивный гидролиз белков с целью обогащения ценным азотистым питанием дрожжевого сусла.

Таким образом, для спиртового производства, перерабатывающего крахмалсодержащее сырье, необходимо применение ферментных препаратов с амилолитическим, протеолитическим и цитолитическим действием. При замене солода культурами микроорганизмов или препаратами ферментов необходимо, чтобы полученный спирт обладал высокими дегустационными качествами и не содержал вредных примесей.

При производстве пива по обычной технологической схеме необходимые ферментные системы для подготовки зернового сырья и перевода экстрактивных веществ в растворимое состояние на стадии затирания образуются в процессе солодоращения.

Основными ферментами, образующимися в процессе солодоращения и имеющими наиболее существенное значение в технологии пивоварения, являются: амилолитические ферменты, разжижающие и осахаривающие крахмал; протеолитические ферменты, расщепляющие белки ячменя до пептидов различной молекулярной массы и свободных аминокислот; ци-толитические ферменты, гидролизующие некрахмальные полисахариды, растворяющие клеточные стенки эндосперма зерна, благодаря чему облегчается доступ амилаз и протеаз к соответствующим субстратам.

Каждый из перечисленных процессов должен пройти с определенной глубиной, чтобы обеспечить нормальное протекание фильтрации затора, брожения сусла, осветление и фильтрацию пива, а также создание определенных физико-химических свойств (пенообразование, прозрачность, стойкость при хранении) и вкусовых качеств готового продукта.

60. Иммобилизованные ферменты и их применение в производстве пищевых продуктов

В различных пищевых технологиях долгое время применялись лишь препараты свободных ферментов, срок использования которых - один производственный цикл. Благодаря достижениям молекулярной биологии, биохимии и энзимологии в настоящее время организовано производство ферментов длительного (пролонгированного) действия или иммобилизованных ферментов, т. е. связанных ферментных препаратов.

Сущность иммобилизации ферментов заключается в присоединении их в активной форме тем или иным способом к изолированной фазе (инертной матрице), которая обычно нерастворима в воде и часто представляет собой высокомолекулярный гидрофильный полимер, например, целлюлозу, полиакриламид и т. п.

Иммобилизация часто приводит к изменениям основных параметров ферментативной реакции. Как правило, её скорость снижается.

Иммобилизованные ферменты как катализаторы многоразового действия можно использовать, в основном, для трех практических целей: аналитических, лечебных и препаративных (промышленных).

В случае препаративного применения основную роль играет стоимость, а также возможность автоматизации процесса. Несмотря на большие потенциальные возможности использования иммобилизованных ферментов в производстве, в настоящее время реализованы лишь немногие, например: разделение D- и L-аминокислот; получение сиропов с высоким содержанием фруктозы; возможно использование иммобилизованных ферментов при производстве сыров, стабилизации молока и удалении лактозы из молочных продуктов.

...