Ферментные препараты

Строение, свойства и классификация ферментов

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.

По строению все ферменты можно разделить на две группы:

· ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами, и являющиеся однокомпонентными;

· ферменты, состоящие из белковой части (апофермента) и связанного с ней органического вещества небелковой природы, называемого простатической группой. Эти ферменты являются двухкомпонентными. Апофермент оказывает решающее действие на специфичность фермента, а соединение белка с простетической группой приводит к огромному возрастанию его каталитической активности. Основная масса ферментов является двухкомпонентной.

Простетическими группами многих ферментов являются витамины и их производные, например, простетические группы ряда окислительно-восстановительных ферментов содержат производные ниацина (витамина РР) или рибофлавин (витамин В₂). В состав простетических групп ферментов могут входить производные витаминов B₁, В₆, B₁₂, а также пантотеновая, фолиевая кислоты и биотин.

В состав многих ферментов входят металлы, придающие им активность. Такие металлы называются кофакторами. Например, кофактором α-амилазы является кальций, а каталазы — железо. Ряд ферментов усиливает свою активность в присутствии магния, марганца, цинка, меди, молибдена.

Характерной особенностью ферментов является их высокая каталитическая активность, в значительной степени превосходящая активность химических катализаторов. Ферменты обладают способностью ускорять реакции. Механизм действия ферментов, как и химических катализаторов, связан с тем, что они снижают энергию активации, необходимую для осуществления определенной реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют значительно меньше энергии активации. Однако ферменты гораздо сильнее понижают энергию активации, чем химические катализаторы. Например, для гидролиза сахарозы с образованием глюкозы и фруктозы без участия катализатора необходима энергия активации около 133,76 кДж (32 ккал) на грамм-молекулу. Если реакция катализируется неорганическим катализатором НСl, то энергия активации составляет 107,0 кДж (25,6 ккал), а если происходит ферментативный катализ, то она снижается до 39,2 кДж (9,4 ккал).

Второй особенностью ферментов является избирательность их действия. Например, инвертаза разлагает сахарозу, но не действует на другие дисахариды, в частности, мальтозу, т.е. некоторые ферменты катализируют превращение практически только одного какого-либо вещества.

Многие ферменты действуют только на определенный вид связей. Например, пепсин гидролизует пептидные связи в молекуле белка, образованные ароматическими аминокислотами. Ряд ферментов катализирует определенные группы реакций. Так, ферменты, называемые липазами, катализируют гидролиз любых сложных эфиров, включая и жиры.

Третьим свойством, отличающим ферменты от химических катализаторов, является их большая лабильность, т.е. чувствительность к внешним воздействиям среды (влиянию температуры, концентрации водородных ионов, наличию активаторов и ингибиторов и др.).

Преимуществом ферментов перед химическими катализаторами является то обстоятельство, что они действуют при нормальном давлении и при относительно низких температурах - от 20 до 70⁰С.

По типу катализируемой реакции все ферменты делятся на шесть классов:

· оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции;

· трансферазы (ферменты переноса), катализирующие реакции переноса метальных или аминогрупп от субстрата (донора) к акцептору. Такими группировками могут быть остатки фосфорной кислоты, аминокислот, сахаров и др.;

· гидролазы, осуществляющие реакции гидролиза, т.е. расщепле­ния различных сложных соединений (субстратов) при участии воды на более простые;

· лиазы, катализирующие негидролитическое расщепление суб­стратов и отщепление от них тех или иных групп;

· изомеразы, катализирующие превращения органических соеди­нений в их изомеры;

· лигазы (ранее называвшиеся синтетазами), катализирующие со­единения двух молекул субстрата путем образования связей С-О, C-S, C-N или С-С.

Биохимические процессы, протекающие при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием собственных ферментов сырья или с действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами и используемых в виде ферментных препаратов (ФП).

В промышленных условиях ФП растительного происхождения получают из таких растений, как папайя, ананас и инжир. На мясоперерабатывающих предприятиях ферменты и ФП получают из органов и тканей животных. Однако, наиболее широко ФП получают из культур микроорганизмов.

Источником получения биомассы микроорганизмов, используемой для выделения ферментов, являются культуры плесневых грибов, бактерий, дрожжей и актиномицетов. Микроорганизмы дают значительно больше биомассы, из которой проще и экономичнее выделить данный фермент, чем из тканей высших растений и животных. Так, α-амилазу получают из плесневых грибов (Aspergillus niger, A. oryzae и др.) и бактерий (Bacillus subtilis), глюкоамилазу - чаще всего из плесневого гриба Aspergillus awamori, пектолитические ферменты - из грибов Aspergillus, например, A. awamori, протеиназы - из бактерий и грибов, относящихся к родам Bacillus, Aspergillus, Penicillium и др.

В специально созданных условиях микроорганизмы способны синтезировать огромное количество разнообразных ферментов. Микроорганизмы неприхотливы к составу питательной среды, легко переключаются с синтеза одного фермента на другой и имеют сравнительно короткий цикл роста (16-100 ч).

Культивирование микроорганизмов можно вести двумя способами: поверхностным и глубинным. Поверхностным способом можно вырастить только аэробную культуру микроорганизма на твердой сыпучей питательной среде; глубинным способом выращивают микроорганизмы в жидкой питательной среде. Этим способом можно вырастить как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы. Глубинный способ имеет ряд преимуществ по сравнению с поверхностным: не требует больших производственных площадей, упрощает механизацию производства, позволяет рациональнее использовать питательные вещества сред и получать ФП с меньшим содержанием примесей.

Ферментные препараты отличаются от ферментов тем, что помимо активного белка содержат балластные вещества. Подавляющее количество ФП являются комплексными, содержащими кроме основного еще значительное количество сопутствующих ферментов, хотя существуют ФП, в состав которых входит только один фермент. В комплексном препарате основной фермент преобладает и имеет наибольшую активность.

Название ФП складывается из сокращенного названия основного фермента, видового названия продуцента и суффикса «ин». Например, амилолитические препараты, получаемые из культур Aspergillus oryzae и Bacillus subtilis, называются соответственно ами-лоризином 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 - буква П; далее следует обозначение 2х, 3х, 10х, 15х или 20х, отражающее возрастающую степень очистки препарата от балластных веществ. Индексами 15, 18, 20 обозначают препараты, частично освобожденные не только от балластных веществ, но и от сопутствующих ферментов. Неочищенный ФП представляет собой культуру микроорганизма вместе с остатками питательной среды, высушенную при мягком режиме до влажности не более 8-12%. В названии такого ФП присутствует только буква х.

В пищевой промышленности (в хлебопечении, пивоварении, виноделии, крахмалопаточном, консервном, пищеконцентратном производствах) используются очищенные ФП, частично или полностью освобожденные от балластных веществ. Они могут быть получены в виде порошков или жидких концентратов.

Часто возникает необходимость использования не только какого-либо конкретного фермента, но и их определенного сочетания, где учитывались бы все свойства ферментов, необходимых для конкретной области применения. Эти препараты получили назва­ние мультиэнзимных комплексов (МЭК).

При использовании ФП следует учитывать то влияние, которое могут оказать сопутствующие ферменты на технологический процесс. Создавая оптимальные условия для действия основного фермента, можно в значительной степени ослабить активность других нежелательных ферментов. Например, присутствие активной протеиназы вместе с α-амилазой в препаратах для хлебопечения нежелательно, и наоборот, при осахаривании зерна и крахмала в спиртовой промышленности необходимо одновременное воздействие этих двух ферментов.

При использовании ФП часто фермент после однократного использования инактивируется, при этом обрабатываемый материал загрязняется препаратом, так как ферменты трудно отделить от продуктов реакции. В настоящее время выпускаются ФП многократного использования, так называемые иммобилизованные ФП. Иммобилизация ферментов - это прикрепление фермента в активной форме к водонерастворимой основе или заключение его в полупроницаемую мембрану. Такие ФП называют еще связанными, сшитыми, прикрепленными, матрицированными.

Иммобилизованные ФП состоят из фермента, носителя и связующего их звена. Носители могут иметь зернистую структуру и быть выполнены в виде волокон, пленок и мембран. В качестве носителей применяют органические полимерные природные и синтетические соединения и неорганические вещества. В качестве основы для носителей могут быть использованы целлюлоза, декстрин, губчатый крахмал, кремнеземные сорбенты, различные виды глин, керамика, силикагели, металлы, их оксиды и т.д.

Фермент, входящий в ферментный препарат, прикрепляется к основе (носителю) за счет химических связей или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель.

Основные способы получения иммобилизованных ФП:

· ковалентное присоединение молекул ферментов к водонерастворимому носителю;

· ковалентная сшивка молекул ферментов друг с другом или с инертными белками без носителя;

· захват фермента в сетку геля или полимера;

· адсорбция ферментов на водонерастворимых носителях;

· микрокапсулирование в полупроницаемые оболочки.

Иммобилизованные ФП отличаются от нативных по своим свойствам, так как при их получении изменяется пространственная структура белковой молекулы. Они характеризуются стабильностью фермента в более широкой зоне рН и температуры, устойчивостью к действию ингибиторов, что важно при длительном их использовании.

Применение ФП в пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выход, улучшить условия труда, экономить ценное пищевое сырье. Если прежде основным источником активных ферментов был солод, получаемый из ячменя, ржи и других зерновых культур, то, применяя ФП, можно отказаться от зерна и использовать его на другие цели.

Дата добавления: 2015-05-22