Ферментные препараты и Растительные ферменты | Режимы солодоращения

Ферментные препараты

При переработке различных видов органического сырья исполь­зуются ферменты растительного, микробного и животного происхожде­ния. Растительные ферменты специфичны в отношении своих естест­венных субстратов, что определяет высокую эффективность их дейст­вия на растительное сырье. Специфичность микробных ферментов со­вершенствовалась в процессе эволюции сапрофитных и фитопатогенных форм микроорганизмов. В микробном мире можно найти проду­цента всевозможных ферментов, участвующих в круговороте органиче­ского вещества. Это объясняет широкое применение микробных фер­ментов в пищевой промышленности и кормопроизводстве. Из животного сырья получают ограниченный ассортимент ферментных препаратов которые, как более дорогостоящие, применяются реже микробных.

Растительные ферменты

Ферменты зерна. В практической деятельности человека с древних времен применяются ферменты зерновых культур. Зерно злаков богато запасными веществами, которые используются в энергетическом и конструктивном метаболизме при прорастании зерна. Превращение крахмала, крахмальных полисахаридов, белка, липидов начинается с их гидролитического расщепления. Продукты расщепления используются в циклах дыхания и биосинтеза структурных элементов растения. В покоящемся зерне имеются ферменты, необходимые для гидролиза всех видов полимеров. Значительная часть гидролитических ферментов находится в связанном, неактивном состоянии. Активность свободных форм гидролаз не проявляется из-за отсутствия свободной воды, необходимой для протекания реакций гидролиза. В зерне имеются ингибиторы протеолитических ферментов и α-амилазы. Ингибиторы протеаз превращают протеолитический процессинг связанных ферментов и их переход в свободные, активные формы.

При соответствующей температуре и влажности зерно набухает и прорастает. Процесс прорастания сопровождается увеличением активности большинства ферментов. Ингибиторы протеаз – белки низкой молекулярной массы – диффундируют во внешнюю среду, что создает условия для проявления активности протеаз. Под действием протеаз активируются связанные формы ферментов. Параллельно происходит новообразование ферментов.

Проросшее зерно (солод) является богатейшим источником ферментов. Ферментативный комплекс солода включает: амилолитические ферменты (α-амилазу, β-амилазу, α-глюкозидазу, пуллуланазу, предельную декстриназу), β-фруктофуранозидазу, целлюлолитические ферменты (эндо- и экзоглюканазы, целлобиазу), гемицеллюлазы (эндо-β-1,3-глюканазу, ламинарибиазу, эндо- и экзосиланазы, ксилобиазу, арабинозидазу), протеазы эндо- и экзо-типов, липазы, фосфотазы, окислительно-восстановительные ферменты (каталазу, пероксидазу, о-дифенолоксидазу).

Рациональная технология солода обеспечивает получение максимальной активности гидролитических ферментов  при минимальных затратах массы зерна на дыхание. Активность ферментов в процессе прорастания изменяется в зависимости от влажности зерна, температуры среды, продолжительности выращивания, способа аэрации. Оптимальные режимы солодоращения для разных культур различны (табл 8.1). При получении сухого солода его активность зависит от способа сушки.

Таблица 8.1.

Оптимальные режимы солодоращения

КультураТемпература, °СВлажность зерна, %Продолжительность проращивания, сут
Ячмень двухрядный13-15467
Ячмень шестирядный17-1947–486
Рожь18-2048–503
Пшеница16-1846–483–4
Овес15-1842–435–6
Кукуруза18-2046–485

Наибольшее применение находят ячменный и ржаной солод, пер­вый в – пивоварении, второй – в хлебопечении и при приготовлении квасного сусла. Высокой ферментативной активностью обладает солод из шестирядного озимого ячменя. Амилолитическая, осахаривающая и протеолитическая активность соответственно в 1,5–2, 2–3 и 3–5 раз вы­ше, чем в солоде из двухрядного пивоваренного ячменя.

Ферменты различных видов солода имеют сходные свойства.

α-Амилаза присутствует в покоящемся зерне в незначительных ко­личествах. Фермент активно синтезируется в процессе прорастания. Синтез индуцируют гиббереллины, образующиеся в ростке. Максималь­ная активность α-амилазы найдена в алейроновом слое. Оптимальные условия действия фермента: рН 5,6–5,8, температура 60–65°С (табл 8.2). В заторах температурный оптимум повышается до 70–75°С, а предел термостабильности – до 80°С, что связано со стабилизирующим действием высоких концентраций крахмала в заторах. α-Амилаза солода активируется ионами кальция и хлора, ингибируется ионами железа, хрома, меди. В солоде присутствует два фермента α-амилазы. При длительном гидролизе крахмала солодовой α-амилазой получают смесь сахаров, состоящую на 87% из мальтозы и на 13% — из глюкозы.

β-амилаза находится в зерне в свободной и связанной форме. Связанная форма локализуется только в эндосперме. Активация ее происходит под действием протеаз и тиоловых агентов. β-амилаза накапливается в зерне в интервале от 2 до 5 суток проращивания, основная активность сосредоточена в алейроновом слое. Фермент имеет оптимум действия в разбавленных растворах крахмала при рН 4,6 – 5,6 и температуре 40 – 500С, в заторах крахмалистого сырья – при 60 – 65°С. Стабилен при рН 4 – 8 и температуре до 60°С, в заторах – до 70°С. Ингибиторы – ионы тяжелых металлов, галогены, озон.

Гидролитические ферменты ячменного солода

ФерментОптимум действия

рН
Оптимум действия

Температура
Стабильность

рН
Стабильность

Температура
α-амилаза
в растворе крахмала
в заторе

5,6 – 5,8
-

60 – 65
70 – 75

5 – 9
-

70
80
β-амилаза
в растворе крахмала
в заторе

4,6
5,4 – 5,6

40 – 50
60 – 65

4 – 8
-

60
70
Пуллулиназа5,340-70
Предельная декстриназа
в растворе крахмала
в заторе

5,1
5,1

40
55 – 60

-
-

65
-
α-глюкозидаза6,035 – 40- 40
β-фруктофуранозидаза5,550--
Цитолитический комплекс (целлюлазы и гемицеллюлазы)4,5 – 5,040 – 45-55
Протеолитический комплекс
эндопептидаза
в растворе белка
в заторе
лейцинаминопептидаза
дипептидаза


4,7
5,0 – 5,2
7,2
7,8 – 8,2


40
50 – 60
40 – 45
40 – 50


-
-
-
-


70
80
>50
>50
Липаза6,82,8-50
Фосфотаза4,5 – 5,053-<70

β-Амилаза расщепляет амилозу на 100% с образованием мальтозы. Гидролизу амилопектина препятствуют точки ветвления, вокруг кото­рых долго сохраняются негидролизованные фрагменты полиглюкозидных цепочек. Крахмал в целом расщепляется с образованием около 50% мальтозы и такого же количества предельного β-декстрина, дальнейшее расщепление которого может происходить при добавлении α-амилазы. Полный комплекс амилолитических ферментов солода гидролизует зерновой крахмал на 100%.

При прорастании зерна существенно увеличивается активность β-фруктофуранозидазы, эндо- и экзоглюканаз (в 10 раз), эндоксиланазы (в 3 раза), экзоксиланазы (в 2 раза), эндопептидазы (в 5–6 раз), экзопептидаз (в 1,5–10 раз), фосфатаз (в 5–10 раз), липазы (в 2 раза).

Протеолитический комплекс солода включает эндо- и экзопептидазы. Эндопептидазы в зерне представлены свободной и связанной формой. Переход в свободную форму происходит за счет удаления ингибиторов (их протеолиза, диффузии во внешнюю среду). В комплексе экзопептидаз идентифицированы карбоксипептидаза, магнийсодержащая лейцинами­нопептидаза и дипептидаза. Протеолитические ферменты солода гидролизуют белок в зоне рН 4–9. Этот диапазон соответствует изменению величины рН в различных участках прорастающего зерна, что связано с гидролизом белка, превращениями аминокислот, синтезом органических кислот. Эти изменения отражаются в возрастании титруемой кислотности в процессе проращивания в 4–5 раз при незначительном увеличении средней величины рН (с 6 до 6,25).

Сушка солода приводит к изменению абсолютной активности ферментов и соотношения ферментативных активностей, что объясня­ется ограниченной и различной термостабильностью компонентов ферментативного комплекса. В результате сушки амилолитическая ак­тивность светлого солода снижается на 30–40%, темного – на 70%. По­тери происходят в основном за счет термоинактивации β-амилазы, α-амилаза более стабильна. Снижение пептидазной активности при сушке светлого солода (температура 95–100° С) незначительно. В темном со­лоде, который сушат в интервале температуры 112–120°С, наблюдается существенное снижение пептидазной и фосфатазной активности. Высокоферментативный солод из шестирядного ячменя рекомендуют сушить при температуре 72-80°С.

Тиоловые протеазы растений

Тиоловые растительные протеазы – папаин, химопапаины А и В, бромелаин и фицин – являются ферментами широкой субстратной специфичности. Они гидролизуют пептидные связи, образованные лейцином или глицином, которые часто встречаются в белках (см. лекцию 7).

Папаин выделяют из срка дынного дерева путем фракционированного осаждения органическими растворителями. Аналогично получают бромелаин из сока зеленых стеблей ананаса и фицин – из сока стеблей тропического инжира. Промышленный выпуск тиоловых протеаз растений производится в тропических странах, где произрастает сырье.

В  пищевых отраслях широко применяется папаин, который изготовляют в различных товарных формах.

В последние годы в нашей стране освоен выпуск препаратов папаина из незрелых плодов дынного дерева, которые ввозят из Эквадора. В выделяемом ферментном препарате содержится 60% белка, протеолитическая активность которого составляет 750 – 1000 ед/г (по методу Ансона, субстрат – казеинат атрия). Ферментный комплекс включает: папаин, химопапаин, пептидазу А, незначительное количество лизоцима. Производится также иммобилизованная форма препарата (носитель – нейлоновое полотно), с высокой термо- и операционной стабильностью.

Продуценты и их культивирование

В качестве продуцентов ферментов используются культуры представителей различных таксономических групп – бактерий, актиномицетов, микроскопических и высших базидиальных грибов.

К микроорганизмам – продуцентам ферментов – предъявляются следующие требования: наличие высокой ферментативной активности; преимущественный синтез фермента или группы ферментов, превра­щающих определенный субстрат; генетическая стабильность по признаку синтеза фермента или ферментов; достаточно высокая скорость рос­та; способность расти на средах с доступными и недорогими источниками питания.

Культиви­рование продуцентов ферментов проводятся в условиях стерильности (глубинный процесс) или максимально возможного приближения к ним (твердофазный процесс).

Ферментная   промышленность   выпускает  большой   ассортимент препаратов микробного происхождения, продуцентами которых являются представители различных таксономических групп   Большая часть валового количества ферментов, особенно гидролитических, производят на основе культивирования бацилл (прежде всего B. subtilis), микроскопических грибов p.p. Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, а также актиномицетов  p.p. Acyinomices, Streptomices. Чаще всего используют мезофильные штаммы аэробных микроорганизмов.

Преобладающим способом культивирования является глубинный, основанный на выращивании продуцентов в стерильных жидких средах с принудительной аэрацией (для аэробных форм) и перемешиванием среды, при автоматическом регулировании параметров процесса, таких как температура, рН среды, ее редокс-потенциал, концентрация растворенного кислорода и пр.

Наряду с глубинным применяется твердофазный способ культивирования, когда культуры продуцентов выращивают на увлажненных и простерилизованных твердых средах, таких как отруби, свекловичный жом, измельченное целлюлозосодержащее сырье, солодовые ростки и др. Твердофазное культивирование сложнее регулировать, чем глубинный процесс. Преимуществом твердофазного процесса является то, что условия культивирования максимально приближены к естественным, в которых полностью реализуется биопотенциал микроорганизмов.

Твердофазная культура хорошо аэрируется. В конце ферментации получают культуру в форме, удобной для выделения ферментных препаратов.

Глубинное культивирование используется как для аэробных, так и для анаэробных продуцентов, твердофазное – только для аэробных, именно для микроскопических и высших базидальных грибов.

Ссылка на основную публикацию