Целюлази, пектинази

Ферментативний гідроліз некрохмальних полісахаридів (целюлози, геміцелюлози, пектинів) здійснюється під дією ферментів целюлолітичного, геміцелюлолітичного і пектолітичного комплеків). Наприклад, у виробництві соків і у виноробстві – для освітлення та поліпшення умов фільтрування.

Пектинестераза гідролізує складноефірні зв’язки в молекулі розчинного пектину, в результаті чого утворюється галактуронова кислота і метиловий спирт.

Це призводить до зниження драглеутворюючої здатності пектину і супроводжується зниженням в’язкості. На цьому ґрунтується застосування пектин-естерази для освітлення плодових соків і вина.

Інвертаза (сахараза, b-фруктофуранозидаза)

Гідроліз сахарози у харчових технологіях може здійснюватись при нагріванні в присутності невеликої кількості кислот, зокрема, соляної. При цьому утворюється редукувальні цукри-глюкоза і фруктоза, які можуть приймати участь у процесах карамелізації, меланоїдиноутворення. В кондитерському виробництві використовується інвертний сироп, який готують шляхом кислотної інверсії розчину сахарози з концентрацією СР понад 80% і температурі близько 100°С, після чого кислоту нейтралізують розчином харчової соди NaHCO₃. Інвертний сироп використовують при виробництві карамелі, мармеладу, як антикристалізатор замість патоки. Інвертний сироп крім глюкози і фруктози містить невелику кількість негідролізованої сахарози, а також продукти розкладу та конденсації сахарів, зокрема, забарвлюючі речовини. Інвертний сироп має високу гігроскопічність, що негативно впливає на якість карамелі.

Ферментативний гідроліз сахарози під дією фермента b-фруктофуранозидази (сахарази) має місце під час приготування тіста, під час виробництва вин: (сахароза гідролізується з утворенням зброджуваних цукрів глюкози і фруктози. Інвертний сироп, який використовується при виробництві безалкогольних напоїв, готують ферментативним способом.

Ліпаза

Гідроліз триацилгліцеринів відбувається під дією ферменту ліпази, при цьому утвоюються гліцерин і жирні кислоти. Реакція гідролізу широко застосовується в техніці для отримання жирних кислот, гліцерину, моно- і диацилгліцеринів. З іншого боку, негативне значення полягає у псуванні та зниженні якості продуктів, що містять ліпіди (жирів, зерна, круп, борошна ).

Глибина та інтенсивність процесу залежить від:

- хімічного складу ліпідів;

- супутніх речовин, що додаються чи утворюються, наприклад, антиоксиданти;

- вологості;

- активності ферментів ліпази;

- присутності мікроорганізмів;

- від контакту з повітрям;

- способу пакування.

На швидкість гідролізу впливає будова і положення ацилів. Зі збільшенням довжини вуглеводневого ланцюга та зі збільшенням ступеня ненасиченості жирних кислот швидкість гідролізу знижується. Швидкість гідролізу моноацилгліцеринів вища, ніж триацилгліцеринів. В присутності кислотних каталізаторів (H ₂SO₄, сульфокислоти) процес гідролізу протікає при 100^оС в надлишку води. У фазі відсутності каталізатора розщеплення відбувається при температурі 220-225^оС під тиском 2-2,5 мПа.

Швидкість реакції зростає при збільшенні вологості.

Швидкість і глибина гідролізу олій характеризується кислотним числом.

Оксидоредуктази у харчових технологіях

Окиснення фенольних сполук. Поліфенолоксидаза (тирозиназа)

Фермент поліфенолоксидаза (тирозиназа, фенолаза, катехолаза, О-дифенолоксидаза) каталізує окиснення моно- ди- та поліфенолів. З дією цього ферменту пов’язано утворення темнозабарвлених сполук – маланінів - під час окиснення киснем повітря амінокислоти тирозину. Потемніння зрізів картоплі, яблук, грибів, персиків та інших рослинних тканин практично завжди повністю залежить від дії поліфенолоксидази. У харчовій промисловості основний інтерес до цього ферменту зосереджений на запобіганні цього потемніння, особливо під час сушіння плодів та овочів за допомогою:

§ бланшування - теплова інактивація ферменту,

§ додавання інгібіторів (гідросульфіту натрію, сірчистого ангідриду, хлориду натрію,

§ зв’язування субстрату метилуванням.

Небажаним є також потемніння макаронних виробів під час сушіння, а також м’якушки хлібобулочних виробів з пшеничного борошна вищого та першого сортів. Інгібіторами тирозинази в тісті є кухонна сіль, аскорбінова кислота і поліпшувачі окисної дії, наприклад, йодат калію. Активність цього ферменту знижується у разі збільшення кислотності середовища, тому доцільним є використання молочної сироватки.

Позитивний вплив дії поліфенолоксидази відмічається лише у виробництві чаю - під час ферментації відбувається окиснення дубильних речовин чаю з утворенням темнозабарвлених і водночас ароматичних сполук.

4. Ферментні препарати, їх характеристика

Ферменти містяться в рослинній та тваринній сировині та вносяться у напівфабрикати з цією сировиною. Крім того, ферменти містяться у мікроорганізмах, а також вносяться у вигляді ферментних препаратів (ФП).

Ферменти викликають перетворення під час зберігання сировини та під час перебігу технологічних процесів. Ферменти мікроорганізмів мають позитивне значення в харчових технологіях, оскільки приймають участь в різноманітних процесах бродіння, але й можуть викликати псування харчових продуктів (гниття, пліснявіння або небажане бродіння).

Мікроорганізми також використовуються для отримання ферментних препаратів. Суть технології ферментних препаратів полягає в отриманні біомаси мікроорганізмів, яка використовується для виділення даного ферменту. Для цього використовують плісняві гриби, бактерії, дріжджі. Так, a- амілазу отримують з плісневих грибів (Aspergillus niger, Aspergillus orysae та інші), з бактерій (Bacillus subtilis), глюкоамілазу та пектолітичні ферменти - з грибів Aspergillus awamori, протеїнази – з бактерій і грибів, що відносяться до родів Bacillus, Aspergillus, Penicillium та ін. Виділення ферментів полягає у екстрагуванні, осадженні органічними розчинниками, фільтруванні, сушінні. Більшість ферментних препаратів є комплексними і проявляють комплексну активність, проте в них один фермент може переважати.

Назва ферментного препарату включає назву основного ферменту та назву продуцента. Так, амілолітичні ферментні препарати, які отримують із культур A.orysae та B.subtilis називаються амілоризини (грибний) та амілосубтілін (бактеріальний). Протеолітичні ферментні препарати з культури B.subtilis називають протосубтіліном. В назву ферментного препарату включають також спосіб культивування мікроорганізмів – глибинний чи поверхневий; це позначається буквою Г або П. Наприклад, амілоризин Г10х, амілосубтілін П10х 2х, 3х, 10х, 15х, 20х – відображає ступінь очищення ФП. 2х, 3х – це ступінь очищення для технічних ферментів, 10х – 20х – для харчових ФП, яка регулюється за рахунок наповнювача. Як наповнювач використовують кухонну сіль, крохмаль, глюкозу, а для технічних цілей – перліт чи ін.. Активність ФП виражається в одиницях активності на 1г ФП. За одиницю активності прийнята така кількість ФП, яка розщеплює 1г субстрату при певних умовах. Молекулярна активність ФП дорівнює числу молекул субстрату, які перетворюються 1 молем ферменту за одиницю часу. Розрізняють також стандартні одиниці активності ферменту – це така кількість ферменту, що каталізує перетворення 1 мікромоля даного субстрату за 1 хвилину при заданих умовах.

До останнього часу у харчових технологіях використовували лише ферментні препарати вільних ферментів. Недоліки їх є невеликий термін використання – один виробничий цикл. Проте досягнення ензимології дозволили створити теоретичну базу для виробництва ферментів пролонгованої дії – іммобілізованих ферментів або фіксованих чи зв¢язаних ферментних препаратів. Суть технології іммобілізації ферментів полягає в приєднанні їх до інертної матриці. Як правило, це нерозчинний полімерний носій, наприклад, целюлоза, поліакриламід і т.п. Фермент може бути ковалентно зв¢язаний з матрицею, адсорбований на ній або фізично включений в неї.

Розрізняють такі способи іммобілізації ферменту:

1. Ковалентне зв¢язування;

2. Електростатичне зв¢язування;

3. Співполімеризація;

4. Включення в полімер;

5. Інкапсулювання – це включення ферменту в капсулу, органічну чи неорганічну, яка являє собою напівпроникну мембрану.

Іммобілізовані ферментні препарати поки що не набули широкого використання в промисловості і застосовуються для розділення D– та L–амінокислот; для отримання сиропів з високим вмістом фруктози, у виробництві сирів та стабілізаторів молока.

5. Застосування ферментних препаратів у

харчових технологіях

Застосування ферментних препаратів у харчових технологіях дає змогу інтенсифікувати технологічні процеси, поліпшувати якість продукції, економити цінну харчову сировину.

Ферментні препарати підбираються у відповідності до мети їх використання, за типом реакції, що каталізується, з урахуванням умов, в яких вони застосовуються, а саме : рН, температури середовища, присутності активаторів та інгібіторів. Крім цього, важливим є оцінка безпечності ферментних препаратів, ступінь очистки, наповнювачі, вартість.

Використання ферментних препаратів у хлібопеченні. Найбільш важливе значення у хлібопекарському виробництві при приготуванні хлібопекарського тіста мають амілолітичні та протеолітичні ферменти. Ферментативний гідроліз вуглеводів і білків забезпечує досягнення реологічних характеристик тіста, накопичення зароджуваних цукрів. Цей процес протікає під дією власних амілолітичних та протеолітичних ферментів борошна, або ферментних препаратів. Ефективність використання ферментних препаратів залежить від якості борошна. Ферментні препарати також використовуються для оцукрення заварок під час приготування рідких дріжджів, активованих дріжджів, заварних сортів хліба.

Як ферментні препарати використовують солод, ферментні препарати амілоризин П10х та амілосубтілін Г10х. Крім амілолітичної активності ці ферментні препарати мають певну протеолітичну активність. Наприклад, амілоризин має АА не< 2000 од./г, ОА не< 150 од./г, протеолітична здатність не> 70 од./г. Протосубтілін – ПЗ не< 70 од./г, АЗ не< 150 од./г. Амілосубтілін має вищу амілолітичну активність (АА не < 3000 од./г), а ПЗ не>2 од./г, але для цього ферментного препарату характерним є більш висока термостабільність a- амілази та обсемінення спорами B.subtilis та B.mesentericus, що може викликати картопляну хворобу хліба.

Використання ферментних препаратів у виробництві крохмалю та крохмалепродуктів.Крохмалево-патокова промисловість випускає широкий асортимент продукції: сухий крохмаль, модифіковані крохмалі (окислені, набухаючі, заміщені), декстрини, різні види крохмальної патоки, глюкозу, глюкозо-фруктозні сиропи. Більшість цих продуктів є продуктами гідролізу крохмалю. Застосовують кислотний, кислотно-ферментативний та ферментативний гідроліз.

Кислотний спосіб дешевший і швидкий, але гідролізати мають невисоку якість, оскільки містять продукти деградації білків, вуглеводів.

При кислотно-ферментативному способі розрідження крохмалю здійснюють за допомогою НCl при рН 1,5 – 2,5 , температурі 146 ° С протягом 5 хв. Потім нейтралізують розчин СаСО₃ до рН 6,0 – 6,5 та охолоджують до температури 85° С . Після цього гідроліз проводять з допомогою ФП Амілосубтілін Г10х протягом 30 хв. Осахарювання здійснюють ФП Глюковамарином Г20х , рН_опт.= 4,0 –5,5; T_опт = 56 –58 ° С.

При ферментативному способі розрідження крохмалю здійснюють з допомогою ФП Амілосубтілін Г10х при Т = 85 – 90 ° С, рН = 6,3 – 6,5 протягом 1 год.

У разі виробництва глюкозо-фруктозних сиропів використовують ФП глю-коізомеразу, яка каталізує реакцію ізомеризації глюкози до фруктози при рН _опт = 7,0 – 8,5, Т _опт. = 60 ° С протягом 24 год до утворення 42 % фруктози і 52 % глюкози.

Кондитерське виробництво.Під час приготування кондитерського тіста як правило процес бродіння відсутній, тому використання амілаз не є необхідним. Але для приготування тіста для печива, пряників, необхідно використовувати слабке борошно зі слабкою клейковиною. Для цього доцільно використовувати бактеріальні протеолітичні ферментні препарати. Наприклад, протосубтілін Г10х, який містить супутні амілази. Такі комплексні ферментні препарати не тільки розріджують тісто, але й завдяки накопиченню декстринів сприяють збереженню свіжості виробів.

Під час виготовлення помадних цукерок використовують препарат інвертазу для отримання м’якої консистенції при високих концентраціях цукру. Під час приготування деяких цукеркових мас, які містять молочні інгредієнти, для підсилення смаку, аромату. Використовують фермент ліпазу. Вільні жирні кислоти, які утворюються при цьому, підсилюють аромат виробів.

Застосування ферментних препаратів у технологіях соків, вин, пива, спирту.Використання ФП здійснюється з метою підвищення виходу соків, освітлення і стабілізації вин, соків попередження окислення в соках.

Для підвищення виходу соку, його освітлення застосовують пектолітичні препарати, які гідролізують пектинові речовини. Проте для повногшо освітлення вин необхідний гідроліз і інших колоїдних сполук, тому пектолітичні препарати є комплексними і містять ферменти, що гідролізують білок, целюлозу, геміцелюлозу та інші компоненти. Деякі плодово-ягідні соки і вина важко освітлюються і часто мутніють, тому що містять багато білкових сполук. Білкового помутніння можна уникнути шляхом термічної обробки і обробки адсорбентами. Але в цьому випадку видаляються і деякі інші речовини, які зумовлюють смак і аромат. Тому доцільним є використання протеолітичних ферментних препаратів.

Питання для самоперевірки

1. На які класи поділяються ферменти?

2. Які особливості мають ферменти як каталізатори?

3. Як впливають технологічні фактори на кінетику ферментативних реакцій?

4. Які гідролітичні ферменти Ви знаєте? Наведіть приклади.

5. Дайте характеристику ферментативних трансформацій крохмалю під впливом a- і β-амілаз.

6. Під впливом яких ферментів змінюються білки у харчових технологіях? Наведіть приклади.

7. Як у харчових продуктах діє фермент ліпаза? Яке значення для харчових технологій мають ці перетворення?

8. Охарактеризуйте роль ферменту β-фруктофуранозидази у харчових технологіях.

9. Під впливом яких ферментів здійснюється гідроліз некрохмальних полісахаридів? Які продукти утворюються в результаті цих процесів?

10. Значення оксидоредуктаз у харчових технологіях?

11. Охарактеризуйте роль ферменту ліпоксигенази у процесі зберігання харчових продуктів.

12. Що таке меланіни? За участю яких речовин вони утворюються у харчових продуктах? Яке значення має цей процес у харчових технологіях?

13. В чому полягає суть технології виготовлення ферментних препаратів?

14. Які продуценти використовуються в технологіях виготовлення ферментних препаратів?

15. Що таке іммобілізовані ферменти?

16. З якою метою використовуються ферментні препарати у харчових технологіях?

17. Які ферментні препарати і для чого використовують у хлібопекарському виробництві?

18. Які ферментні препарати застосовуються для розрідження та гідролізу крохмалю при виробництві патоки?

19. Наведіть приклади використання ферментних препаратів у кондитерському виробництві.

20. Які ферментні препарати слід використовувати для підвищення виходу соків, освітлення та стабілізації вин?

Рекомендована література