Ферменты (энзимы)

Органические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью к субстрату. Они обеспечивают последовательность и взаимосвязанность многих сложных биохимических превращений в клетках растений, животных и микроорганизмов. Выделенные из клеток специальными методами, они сохраняют свои каталитические свойства и могут быть использованы в производстве пищи.

Многие процессы производства продуктов питания возможны только под действием ферментов. Образование ферментов естественным путём осуществляется медленно, поэтому такие производства связаны с большой затратой времени. Так, тестообразование длится 5...7 ч, созревание мяса – 24...36 ч, созревание сыров – несколько месяцев, весьма продолжительны многие процессы в пивоваренной и винодельческой промышленности.

По рациональной номенклатуре всем ферментам присвоено окончание «-аза». Фермент называют по субстрату, на который он действует, или по реакции, которую он ускоряет. Так, ферменты, расщепляющие белки (протеины) называют протеазами, а ферменты, расщепляющие жиры (липиды) – липазами. По принципу катализируемых реакций обычно называют группы ферментов. Например, ферменты, ускоряющие реакции гидролиза, называют гидролазами. Наиболее важное значение среди гидролаз имеют а-, β-амилазы, а-глюкозидаза, β-фруктофуранозидаза и пептидазы.

Для ускорения процессов переработки продовольственного сырья применяются вносимые извне ферментные препараты (ФП), которые позволяют активизировать процессы тестообразования, созревания мяса и рыбы, брожения сахара, увеличить выход сока из плодов и овощей и т.д. Это даёт возможность снизить себестоимость готовой продукции и ускорить сроки её получения. Потребность в ферментах стала настолько большой, что привела к развитию целой области микробиологического синтеза.

Ферментные препараты отличаются от ферментов тем, что помимо каталитически активного белка содержат балластные вещества. Подавляющее большинство получаемых препаратов являются комплексными, содержащими кроме основного ещё значительное количество сопутствующих ферментов, хотя существуют ферментные препараты, в состав которых входит какой-либо один фермент. В комплексном препарате один фермент может преобладать и иметь наибольшую активность.

В производстве ферментных препаратов прежде всего выращиваются определённые виды микроорганизмов – бактерии, плесневые грибы, дрожжи и т.п., которые в ходе обмена веществ для собственных нужд синтезируют определённые ферменты и их комплексы. Подбирая оптимальные условия, усиливают синтез нужных ферментов с целью их промышленного использования. После окончания синтетических процессов ферменты выделяют из культуральной жидкости, затем очищают до концентрации товарных препаратов.

Название ФП российского производства формируется так: сокращённому названию основного фермента добавляют видовое название продуцента и заканчивают название суффиксом «-ин». Например, амилолитические препараты, получаемые из культур Aspergillus oryzae и Bacillus subtilis, называются соответственно амилоризином и амилосубтилином. Протеолитический препарат,получаемый из культуры Bacillus subtilis, называется протосубтилином. В названии препарата отражается способ культивирования микроорганизмов: при глубинном способе после названия ставится буква Г, а при поверхностном – П; далее следует обозначение 2х, Зх, 10х, 15х или 20х, отражающее возрастающую степень очистки препарата от балластных веществ. Если в названии не стоит буква х, то это неочищенная культура продуцента.

Все ФП перед использованием подвергаются тщательному токсико-гигиеническому исследованию и нормируются соответственно установленным ПДК.

Рассмотрим применение некоторых ферментов в пищевой промышленности более подробно.

Хлебопечение

Качество хлеба характеризуется его рыхлостью (пористостью), которая обуславливается углекислым газом, выделяющимся в процессе жизнедеятельности дрожжей и спиртового сбраживания ими Сахаров. Дрожжи – это большая систематическая группа живых микроорганизмов из класса сумчатых грибов. В быту этот термин используют обычно для обозначения хлебопекарских и пивных дрожжей – ценного диетического продукта в виде прессованной влажной, сухой или жидкой массы, получаемой по многоступенчатой технологии в процессе дрожжевого производства. Дрожжи живут и размножаются в растворах содержащих сахара, поэтому их называют сахаромицетами (сахарными грибами). Оптимальная температура для жизнедеятельности дрожжей 30°С, при 60^вС они погибают. Подавляет развитие дрожжей углекислый газ, скапливающийся при брожении теста, поэтому его следует удалять путём обминки теста. Отрицательное влияние на развитие дрожжей оказывает присутствие в тесте большого количества жира и сахара. В этих случаях жир добавляют в конце процесса приготовления теста или дрожжи заменяют химическими разрыхлителями – пишевой содой (гидрокарбонатом натрия) или углеаммонийными солями – карбонатом и гидрокарбонатом аммония (см. гл. 12).

В состав дрожжей входит комплекс ферментов, которые гидролизуют дисахариды до моносахаридов и подвергают последние спиртовому брожению:

С₆Н₁₂О₆ → 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН + 118 кДж

Наряду с главными продуктами спиртового брожения – спиртом и углекислым газом – образуются многочисленные побочные продукты (глицерин, янтарная, уксусная и молочная кислоты, изоамиловый и изопропиловый спирты, сложные эфиры этих кислот и спиртов). Эти вещества участвуют в формировании вкуса и аромата изделия. Благодаря наличию полноценных белков, минеральных веществ и витаминов хлебопекарные дрожжи не только создают пористую структуру, но и повышают пищевую ценность дрожжевых мучных изделий. Хлеб, выпеченный с прибавлением к обычным дрожжам 20% гриба Torulopsis utilis, дольше сохраняет свой вкус и в пищевом отношении является более ценным. Производство хлебопекарных дрожжей основано на их размножении в жидких питательных средах. В качестве питательной среды используют патоку (мелассу), являющуюся отходом сахарного производства. Её предварительно разводят водой и обогащают минеральными солями, содержащими фосфор и азот. Выращивают дрожжи вначале в лаборатории, затем в отделении чистых культур, откуда их передают в производство. Накопление основной массы дрожжей идёт в дрожжерастительных аппаратах с непрерывным притоком питательной среды, обогащённой воздухом. Дрожжи выращивают в течение 12...48 часов при 30°С. Затем их отделяют от бражки, промывают, сепарируют, прессуют, фасуют и охлаждают до 2...4°С.

Наряду с дрожжами, в хлебопечении большое значение имеют и ферменты. Фермент а-амилаза, выделенный из плесневых грибов Aspergillus oryzae превращает крахмал в сахар. Если к тонне муки прибавить 20...30 г амилазы, то в муке увеличивается количество сахара, и при сбраживании его дрожжами в спирт заметно улучшается вкус хлеба, его аромат, пористость и объём, а корочка становится румянее. Введение в тесто протеолитических ферментов позволяет интенсифицировать процесс брожения.

Пивоварение

В пивоварении, как известно, используется солод. Но это невыгодно, так как при его изготовлении теряется до 15% крахмала на образование ростков (при прорастании семян ячменя и дыхании проростков). Кроме того, этот процесс требует больших производственных площадей, специального оборудования и значительных затрат труда.

Гораздо более экономичным является использование «грибного солода», т.е. амилазы плесеней. Наиболее целесообразно употребление грибной амилазы вместе с несоложёным сырьем, так как при этом сохраняются вкусовые и другие особенности пива, а количество экстрактивных веществ даже становится на 3...4% выше, чем при солодовых заторах. А ещё замена солода ферментами значительно снижает себестоимость пива.

В пивоварении на разных его этапах применяются β-глюканазы, термостабильные а-амилазы, протеиназы, амилоглюкозидазы другие ферменты. Они ускоряют фильтрацию сырья и пива, разжижают затор, увеличивают выход пива, ускоряют его брожение и созревание и т.д.

Производство спирта (винокурение)

Для винокурения используют дрожжи, обеспечивающие максимальный выход спирта из сырья. В качестве сырья используют богатые крахмалом клубни картофеля, зерно хлебных злаков, отходы свеклосахарного и сульфатно-целлюлозного производств, а также гидролизаты древесины, торфа, соломы, стеблей и кочерыжек кукурузы. Для сбраживания последних из водорослей Мурманского побережья выделен гриб Monilia murmanica, так как обычные дрожжи оказались непригодными. Раньше для осахаривания крахмала в спиртовом производстве ежегодно расходовались тысячи тонн отборнейшего зерна для изготовления солода. Сейчас солод заменяют амилазой, полученной из грибов, выращенной на отрубях или других отходах. Обработка нескольких тонн варёного картофеля таким «грибным солодом» за 20...30 мин превращает его в тонны сахара, пригодного для сбраживания в спирт при помощи дрожжей.

Ферменты в производстве спирта ускоряют рост дрожжей, разжижают крахмал, способствуют конверсии сырья и осахариванию. В процессе спиртоварения в качестве побочных продуктов получают в небольших количествах глицерин, уксусную и лимонную кислоты. Если к бродящей жидкости добавить сульфиты, то глицерин становится главным продуктом брожения.

Помимо дрожжей, свойством вызывать брожение в той или иной степени обладают ещё ряд плесневых грибов, в частности виды из родов Mucor, Rhizopus, Aspergillus, Candida, Geotrichunn.

Виноделие

В прежние времена в виноделии использовалось естественное сбраживание виноградного сока, в котором наряду с культурными дрожжами, обеспечивающими хороший вкус и букет вина, принимали участие и дикие формы дрожжей, а также различные плесневые грибы и бактерии. Эти вредные примеси были причиной неприятных вкусовых оттенков вина. Поэтому сейчас для брожения соков используют только чистые культуры различных рас культурных дрожжей, количество которых возросло до нескольких тысяч и почти каждая из них совместно с сортом винограда обусловливает свой сорт и букет вина. Случайно было замечено, что примесь к дрожжам гриба Botrytis cinerea, вызывающего серую гниль винограда и других сельскохозяйственных культур, обусловливает особый букет и вкус вина, получившего название «сотернского», а гниль винограда в связи с этим называется «благородной гнилью». Поэтому в Сотерне (Франция) сбор винограда приурочивают ко времени, когда гриб поражает виноград, а сборщики специально отбирают поражённые гроздья, в ягодах которых содержание сахара достигает 30...40%. По этому же принципу готовят рейнские вина.

Обработка вин грибной пектиназой делает их прозрачнее, крепче и придает им лучшую окраску.

Производство плодово-ягодных соков

Свежеотжатые фруктовые и ягодные соки обычно бывают мутными из-за наличия в них пектиновых веществ, которые, помимо того, что повышают вязкость этих соков, удерживают измельчённые культуры тканей во взвешенном состоянии.

Фермент пектиназа, выделенный из грибов, обладает свойством не только осветлять соки, но и повышать их выход из различных фруктов и ягод. Если пекгиназу в количестве 0,03% прибавить к раздавленным ягодам черной смородины, в таких случаях представляющих густую массу, из которой очень трудно выжать сок, то через 2...3 часа можно получить 85% от общего веса ягод совершенно прозрачного натурального сока без всяких привкусов.

В числе пектиназообразующих грибов известны Aspergillus oryzae (при помощи которого, кстати, в Японии получают рисовую водку), Aspergillus niger, Penicillium glaucum, Botrytis cinerea и дрожжеподобный гриб Oidium lactis.

Молочнокислые продукты и сыры

Кефир представляет собой слабоалкогольный молочный продукт, получаемый при сбраживании молока при помощи гриба Torulopsis kephirwm Torulopsis ellipsoideus в смеси с молочнокислыми бактериями Bact. caucasicum или Bact. acidilactis. Кумыс – результат спиртового брожения кобыльего молока при участии Torulopsis kumiss и Bacterium orientale.

Грибы имеют прямое отношение и к производству сыров. Во многих случаях закваска для них наряду с молочнокислыми стрептококками содержит также дрожжи рода Torula. А такие сорта сыра, как рокфор, камамбер и бри, изготовляются с применением чистых культур плесневых грибов рода Penicillium (P. roquefortii, P. camambertii), которые придают им специфический для каждого сорта вкус и обусловливают наличие внутри сыра характерных зелёных прожилок.

Маслоделие и получение жиров

Масло, так же как и многие продукты, поражается различными плесневыми грибами. Для предохранения его от порчи имеется возможность использовать антагонизм между дрожжами и плесневыми грибами. Замечено, что масло дольше сохраняется, не плесневеет, не прогоркает и не приобретает рыбного привкуса, если содержит дрожжи рода Torulopsis. Для этого на 1 т масла расходуют 50 мл смыва дрожжевой культуры и 50 г сухих дрожжей. При этом дрожжи обогащают масло витаминами группы В. При добавлении к пищевым жирам неомыляемой части липоидов (жироподобных веществ) гриба Naumoviella oleogenosa в количестве 0,01% от массы жира, процент порчи снижается в 3,5 раза.

Некоторые грибы, например дрожжи, наряду с другими питательными веществами содержат и жиры. Иногда содержание жира может достигать значительной величины. А нельзя ли получать жиры из грибов? Оказалось, что «жировые дрожжи» Endomyces vernalis, выращиваемые на картофеле или мелассе, могут накапливать до 30% жира. У другого гриба – Geotrichum candidum – в полузаводских установках количество жира достигало 20...30%. Penicillium javanicum может образовывать до 40% жира. Значит, грибы могут превосходить по содержанию жира такие масличные культуры как лён и подсолнечник.

Мясные и рыбные продукты

Мягчение жёстких сортов мяса и рыбы производится при помощи комплекса животных или микробных ферментов – протеаз, разлагающих белки.

Грибной по происхождению фермент протеаза, введённый в сырое жёсткое, трудноперевариваемое мясо, делает его нежнее. Аналогичным образом этот фермент способен жёсткую селёдку сделать мягкой, как сёмга, при этом улучшается её вкус. Протеиназы используют для получения белковых веществ, необходимых для специальных диет, предусматривающих в рационе наличие уже расщеплённых белков. Из продуктов гидролиза белков приготовляют питательные среды для чистых культур микроорганизмов, выращиваемых в научных и промышленных целях.

Кондитерские изделия

Для получения мальтозной патоки или сиропов, осахаренной муки или осахаренного крахмала раньше использовали солод, который сейчас с успехом может быть заменён «грибным солодом», т.е. ферментом амилазой грибного происхождения.

Помадные изделия в процессе хранения быстро грубеют из-за образования крупных кристаллов сахара, а качество самих помадных изделий при этом ухудшается. Если ввести в помадные изделия фермент инвертазу, то этот нежелательный процесс резко замедляется, либо полностью прекращается. Этот фермент можно получать из осадочных пивных дрожжей низового брожения.