Биохимические процессы

Биохимические процессы протекают при участии ферментов и имеют большое практическое значение, так как лежит в основе технологий получения хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков. Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, плодов, овощей жира, жиросодержащих продуктов и др.).

Зная характер протекания биохимических процессов в пищевом сырье, можно установить те или иные особенности процесса, определить дефекты данной партии сырья, наметить наиболее правильный режим технологического процесса.

Кинетика биохимических процессов зависит от ряда факторов: химической природы реагирующих веществ, концентрации самого фермента и субстрата, температуры и реакции среды рН, наличие активаторов и ингибиторов.

Ферменты и ферментация. Ферменты – особые органические вещества, вырабатываемые живыми организмами (клетками) и регулирующие обмен веществ. Они катализируют разнообразные реакции, протекающие в природе. Значение ферментов в жизни и технологии огромно, с их участием происходят превращения различных веществ не только в сложных многоклеточных, но и в простых, одноклеточных орга­низмах.

В настоящее время достигнуты значительные успехи в изуче­нии ферментов и ферментативных процессов не только в живых организмах (медицинская биохимия, биохимия животных и расте­ний), но и в сырье после прекращения жизненных процессов – при переработке и хранении различных пищевых продуктов животно­го и растительного происхождения.

В технологии ряда пищевых продуктов учение о ферментах за­нимает одно из центральных мест, т.к. в основе процессов, про­исходящих при переработке сельскохозяйственного сырья и хра­нении пищевых продуктов, лежат ферментативные превращения. Более того, и микробиологические процессы, происходящие при пе­реработке и хранении пищевых продуктов, могут быть объяснены только действием тех или иных ферментов. Не зная роли фермен­тов, нельзя объяснить такие важные процессы, как созревание сыров, различные виды брожения, ферментация листьев табака и чая, бобов какао и зерен кофе, хранение зерна, плодов и овощей. Эти ферментативные реакции вызываются или ферментами, со­держащимися в самих продуктах, или ферментами, вырабатывае­мыми микроорганизмами, которые используются в технологичес­ких процессах. С действием ферментов связаны такие явления, как морозоустойчивость, урожайность, скороспелость, стойкость растительных продуктов при хранении и т. д.

В настоящее время уже известно более 2000 ферментов, причем надо полагать, что эта цифра составляет лишь незначительную, часть того бесчисленного их количества, которое в действительно­сти может быть в живой природе. До настоящего времени не все известные ферменты тщательно изучены. Это объясняется специ­фическими трудностями, с которыми связано изучение ферментов и ферментативных процессов.

Из всего известного до настоящего времени количества фермен­тов около 100 получено в виде очищенных препаратов, а количе­ство более или менее очищенных ферментов достигает свыше 500.

Принята международная система классификации ферментов. Ферменты де­лятся на 6 основных классов: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3) гидрола­зы; 4) лиазы; 5) изомеразы; 6) лигазы (синтетазы).

Класс 1. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции.

Класс 2. Трансферазы катализируют реакцию переноса целых атомных группировок от молекул одного вещества к молекулам другого. Такими группи­ровками могут быть, например, остатки Сахаров, аминокислот и т. п.

Класс 3. Гидролазы осуществляют реакцию гидролиза с участием воды. Реакция протекает по схеме

RR₁ + Н—ОН→RОН+НR₁.

Такую же реакцию катализирует фосфорилаза, но с участием фосфорной кис­лоты.

Класс 4. Лиазы катализируют реакцию расщепления по схеме

АВ → А+Б.

Отщеплению или присоединению могут подвергаться, например, Н₂О, NН₃, СO₂ и т. д. Отщепление сопровождается образованием двойной связи. Присоеди­нение происходит по месту двойной связи.

Класс 5. Изомеразы катализируют реакцию изомеризации, например, глю­коза → фруктоза.

Класс 6. Лигазы (синтетазы) катализируют реакцию синтеза с отщепле­нием фосфорной кислоты.

Ферментативные реакции в отличие от других каталитических протекают при умеренной температуре и нормальном атмосферном давлении. Однако на актив­ность ферментов большое влияние оказывают температура, реакция среды (рН), концентрация субстрата, присутствие различных солей и степень очистки фер­мента.

Как известно, ферменты вырабатываются живыми организмами и поэтому проявляют свою активность в первую очередь внутри клеток данного организма. В зависимости от того, в каких организмах вырабатываются ферменты, они раз­деляются на две большие группы: ферменты животного происхождения и фер­менты растительного или микробного происхождения.

Температурный оптимум для ферментов животного происхождения лежит в пределах 40-50°С, а для растительных 50-60°С. При температуре кипения поч­ти все ферменты необратимо разрушаются. Однако это не относится к термо­фильным и сухим ферментам, которые переносят кратковременное нагревание даже при температуре более 100°С. Например препарат b-фруктофуранозидазы (сахарозы) в высушенном виде выдерживает нагревание в течение 10 мин до 120°С. При низкой температуре активность ферментов понижается, но фермен­ты не разрушаются.

Воздействие микроорганизмов на субстрат состоит в биохими­ческом изменении его составных частей под влиянием ферментов, синтезируемых микробной клеткой в процессе ее роста и обмена веществ. Различные виды микроорганизмов синтезируют разные ферменты, которые интенсифицируют биохимические превращения специфических субстратов в определенные продукты.

Так, при производстве спирта амилазы плесневых грибов или солода переводят крахмал сусла в моно- и дисахариды, из кото­рых комплексом ферментов дрожжей вырабатываются этиловый спирт и углекислый газ.

В пивном сусле подобные превращения осуществляются с по­мощью амилолитического комплекса ферментов солода, а моно- и дисахариды дрожжами переводятся в этанол, многоатомные спир­ты и другие соединения, которые являются основными компонен­тами пива. Важно также параллельно протекающее под действием протеиназ солода превращение белков в пептиды и аминокислоты, которые также участвуют в обмене веществ дрожжевой клетки и входят в состав готового пива.

В виноделии в виноградном и плодоягодном сусле углеводы находятся в готовом для сбраживания виде, т. е. там содержатся моносахариды, в основном глюкоза и фруктоза, которые без пред­варительного гидролиза усваиваются дрожжами и их ферментным комплексом превращаются в этиловый спирт и другие химические соединения, входящие в состав вина.

В ацетонобутиловом производстве комплексом ферментов, про­дуциру-емых бактериями, осуществляется биохимическое превра­щение крахмала зернового сырья и сахарозы мелассы в уксусную и масляную кислоту, а затем последние бактериями превращаются в ацетон и трехатомный спирт бутанол.

В производстве ферментных препаратов, например амилолити­ческого, протеолитического, пектолитического, целлюлазного и дру­гих комплексов, прежде всего выращиваются определенные виды микроорганизмов — бактерии, плесневые грибы, дрожжи и т. п., которые в ходе обмена веществ для собственных нужд синтезиру­ют определенные ферменты и их комплексы. Подбирая оптималь­ные условия, усиливают синтез нужных ферментов с целью их про­мышленного использования. После окончания синтетических про­цессов ферменты выделяются из культуральной жидкости, затем очищаются до кондиций товарных препаратов.

Пищевые кислоты, например лимонная и молочная, являются продуктами жизнедеятельности соответственно плесневых грибов и молочнокислых бактерий при переработке сахарозы, содержа­щейся в свеклосахарной мелассе. Аминокислота лизин получается путем биохимического превращеия сахарозы ферментами Вrеvibacterium sр. 22Л.

В производстве чая предварительная ферментация чайного ли­ста осуществляется под влиянием его ферментов. Табак получают путем сушки и ферментации табачного листа.

Таким образом, в основе всех перечисленных отраслей промыш­ленности находится биохимическое превращение субстратов раз­личных видов сырья индивидуальными ферментами или фермент­ными комплексами, которые вырабатываются в растениях, и раз­личными видами микроорганизмов, культивируемых в этих же сре­дах. Ферментные препараты специально вносятся в субстрат для ускорения технологического процесса.

Микробиологические процессы

Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В их основе лежит использование в промышленности биологических систем и процессов, ими вызываемых. В основе многих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов.

В настоящее время с помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, органические кислоты, липиды, гормоны, препараты для сельского хозяйства и т.д.

В пищевой промышленности микроорганизмы используются при полу­чении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки – вино, пиво, коньяк, спирт и другие продукты получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промыш­ленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности – молочнокислые бактерии и т.д.

Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение.

Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Известны различные виды брожения. Обычно их называют по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения, например спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и др.

Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения. Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту.

В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям. В процессе получения ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода. Истинные бактерии в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного теста существенное влияние оказывают также на вкус хлеба, так как он зависит от общего количества кислот, содержащихся в хлебе, и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного теста.

Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, а для спиртового производства эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие, дрожжей и инактивирует a-амилазу.

К особым видам маслянокислых бактерий относятся ацетонобутиловые бактерии, превращающие крахмал и другие углеводы в ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Эти бактерии используют в качестве возбудителей брожения в ацетонобутиловом производстве.

Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту.

Следует отметить, что уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства. так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывает его порчу.

Дрожжи.Широко применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста.

Для пищевых производств имеют значение дрожжи — сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи — несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение из этого семейства имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а остальные отдельные разновидности вида, отличающиеся по некоторых признакам, называют расами. В каждой отрасли применяются определенные расы дрожжей. Дрожжи являются главными представителями грибов. Они одноклеточные микроорганизмы, которые в отличие от бактерий размножаются почкованием, а при неблагоприятных условиях - путем спорооб­разования.

Дрожжевая клетка состоит из оболочки - клеточной стенки, окружающей всю клетку, ядра - носителя жизни клетки, клеточ­ной плазмы - цитоплазмы - и различных включений, находящих­ся в ней.

Клеточная стенка у всех дрожжей состоит из сложных углево­дов (гемицеллюлозы), полисахаридов в комплексе с липидами и азотистыми соединениями. Оболочка имеет наружные и внутрен­ние слои. В наружном слое располагается маннанопротеиновый комплекс, который служит основой структуры стенки и местом рас­положения ферментов. Внутренний слой называется полупроница­емой мембраной. Молекулы аминокислот и глюкозы проникают че­рез нее быстрее, чем более мелкие ионы металлов. Это объясняет­ся работой ферментов в наружных слоях клеточной стенки. Здесь найдена фосфатаза, которая стимулирует переход в клетку фосфа­тов и глюкозы. Сахароза проникает в клетку после ее предвари­тельного превращения в моносахара под действием b-фруктофуранозидазы, которая также находится в наружном слое оболочки.

Цитоплазма (клеточ­ная плазма) - вязкая коллоидная масса, состоящая из воды, белков, липидов и углеводов. От клеточной стенки она отделена цитоплазматической мембраной, состоящей из липидно-белковых веществ, рибонуклеопротеидов и соединений кальция. Перемеще­ние различных веществ метаболизма наружу и внутрь клетки осу­ществляется через эту мембрану, вязкость же цитоплазмы изменя­ется в зависимости от условий внешней среды.

Каждая дрожжевая клетка имеет ядро, которое содержит хро­мосомы, состоящие из генов, несущих наследственное начало. Ядро клетки дрожжей содержит дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и нуклеопротеид, которые несут наследственную информа­цию клетки. Микроскопические частицы - рибосомы (микросо­мы) - состоят из липидов и белков, а также рибонуклеиновой кислоты (РНК), ответственной за синтез белковых молекул, в том числе ферментов.

В дрожжевой клетке кроме ядра находятся митохондрии - разрозненные округлые или несколько удлиненные тельца. Они состоят из липидов, структур­ного белка и ферментов, ответственны за обмен веществ в дрожжевой клетке и видоизменяются в зависимости от количества растворенного в среде кислорода.

Кроме ядра и митохондрий в клетках имеются вакуоли и различные вклю­чения, имеющие значение запасных веществ: гликоген, который при гидролизе да­ет глюкозу, а его содержание доходит до 30'% по сухим веществам массы; волютин - запасное азотистое соединение; капельки жира и др.

Вакуоли - это полости, образующиеся в цитоплазме при старении клеток. Они заполнены жидкостью и ограничены тонопластом, т. е. слоем из белков и ли­пидов. Гликоген - углевод, подобный крахмалу, накапливается в молодых клет­ках при хорошем питании. В стареющих клетках его мало. Волютин содержит азот, фосфор и соединения нуклеиновой кислоты с основанием. Роль волютина пока не выяснена.

Дрожжи в нормальных условиях размножаются почкованием и лишь очень редко - делением клеток или спорообразованием. Размножению каждой клетки предшествует деление клеточного ядра.

При культивировании дрожжей в производственных условиях наблюдают четыре фазы их развития.

Первая фаза - лаг-фаза - характеризуется накоплением до 10% биомассы, при этом дрожжами усваивается больше всего фосфор­ных и азотистых соединений. Продолжительность фазы 3-4 ч.

Вторая фаза - логарифмическая - в этой фазе накапливается наиболь­шее количество дрожжевых клеток, они мелкие, так как почкова­ние клеток опережает их рост, но большая поверхность мелких клеток обеспечивает высокую скорость биохимических процессов, в частности образования спирта.

Третья фаза - стационарная - характеризуется медленным накоплением биомассы, отложением запасных питательных ве­ществ в клетках, осуществлением биохимических процессов пре­вращения углеводов в спирт и углекислый газ.