Використання ферментів у харчовій промисловості

Іммобілізовані ферментиу харчовій промисловості і

Завдяки високій каталітичній активності і специфічності деякі ферменти вже давно використовуються в різних галузях виробництва, в першу чергу, це комплексні ферментні препарати для гідролізу природних полімерів − білків, крохмалю, пектинів (табл. 13).

Таблиця 13

Ферменти	Галузь застосування
Глюкозідази:
мілази	Гідроліз крохмалю Виробництво кондитерських виробів Пивоваріння Випікання хліба
глюкоамілаза	Отримання глюкози Оцукрування лікерів і пива
інвертаза	Виробництво кондитерських виробів
пектиназа	Освітлення вин і фруктових соків
лактаза	Виробництво морозива
целюлаза	Обробка соломи Виробництво кофе Облагороджування рослинних кормів Виготовлення джемів Обробка цитрусових Силосування
Протеази:
протеази мікробного походження	Випікання хліба Освітлення вин і пива Розм’якшення м’яса Стабілізація згущеного молока
бромелаїн	Виробництво поживних сумішей на підставі гідролізатів білків Стабілізація пива
папаїн	Освітлення пива Отримання білкових гідролізатів молока Розм’якшення м’яса
трипсин	Розм’якшення м’яса
ренін	Виготовлення сиру
пепсин	Стабілізаціяпива Виготовлення сиру
Ліпази:	Модифікація смаку молочних продуктів Виготовлення сиру
Оксидоредуктази:
глюкозооксидаза	Виробництво кондитерських виробів Видалення кисню з харчових продуктів Пивоваріння Виготовлення майонезів
каталаза	Видалення пероксиду водню після стерилізації молочних продуктів
Ізомерази:
глюкозоізомераза	Виробництво глюкозо-фруктозних сиропів

В історії харчової технології, що налічує тисячоліття, іммобілізовані біокаталітичні системи (ферменти, клітини) за останніх 30...35 років вписали абсолютно нові сторінки, позначивши принципові зрушення в галузі самих технологій і в поліпшенні якості харчових продуктів. Усе більше застосовуються в розвинених країнах біотехнологічні процеси отримання глюкозо-фруктозних сиропів, оптично активних L-амінокислот із рацематних сумішей, дієтичного безлактозного молока, цукрів з молочної сироватки, синтезу L-аспарагінової і L- яблучної кислот з фумарової кислоти.

Отримання глюкозо-фруктозних сиропів є важливим з точки зору дієтології процесом, який вперше був реалізований у промисловості в 973 р. американською компанією «Клінтон Корн». Нині це найкрупніший промисловий процес на основі іммобілізованих ферментів.

Фруктоза порівняно з глюкозою, має приємний смак, на 60...70% солодша, тобто її споживають менше звичайного цукру, крім того, метаболізм фруктози в організмі людини не пов'язаний з перетворенням інсуліну, вона менш шкідлива для зубів та ін. Технології отримання глюкозо-фруктозних сиропів за короткий термін було розроблено і освоєно в промислових масштабах багатьма західними країнами. У 1980 р. їх випуск становив 3,7 млн. тонн. Продукт з товарною назвою ізоглюкоза надходить на ринок у вигляді сиропів, що містять глюкозу і фруктозу в співвідношенні, близькому до 1:1; з використанням процесів розподілу типу рідкої хроматографії вміст фруктози може бути підвищений до 90%.

Біохімічна суть процесу зводиться до перетворення (ізомеризації) глюкози, заздалегідь отриманої внаслідок гідролізу кукурудзяного або картопляного крохмалю у фруктозу під впливом іммобілізованої глюкозоізомерази. Реакція протікає за одну стадію до тих пір, поки в реакційній суміші співвідношення глюкози і фруктози практично не зрівняється. Кінцевим продуктом може бути даний розчин; фруктозу можна відокремлювати від розчину, а глюкозу піддати подальшій ізомеризації. Процес протікає безперервно в реакційних колонах заввишки 5 м, заповнених шаром каталізатора − іммобілізованого ферменту у вигляді полімерних гранул, порожнистих волокон, шматочків гелю та ін. Продуктивність біореакторів варіює від 1 до 9 т глюкозо-фруктозного сиропу на 1 кг іммобілізованого ферменту. За економічними оцінками, виконаними в Угорщині на основі аналізу виробництва глюкозо-фруктозних сиропів потужністю 120 тис. т кукурудзяного зерна на рік, виробництво такого типу економічніше в 1,5 разу порівняно з традиційним отриманням цукру з цукрового буряку.

Корпорацією «Цетус» (США) розроблено новий процес отримання 100% фруктози із глюкозних сиропів. На першому етапі глюкоза під дією іммобілізованої піранозо-2-оксидази окислюється в D-глюкозон, що на другому, хімічному етапі, на паладієвому каталізаторі практично з 100% виходом відновлюється до фруктози.

На початку XXIстоліття США планують замінити на 30...40% споживання цукру такими фруктозними сиропами, Японія − різко скоротити експорт цукру за рахунок біотехнологічного процесу ізомеризації глюкози у фруктозу.

Отримання L-амінокислот ферментативним розподілом хімічних рацематних сумішей D-, L-амінокислот реалізовано на промисловому рівні фірмою-виробником «Танабе Суйяку» в 1969 р. Як вихідну сировину використовують отримані хімічним синтезом ацилірувані D-, L-амінокислоти (метіонін, валін, фенілаланін, триптофан), розчин яких пропускають через колонку об'ємом 1 м, заповнену іммобілізованою аміноацилазою. Фермент гідролізує L-ацил-ізомери, після відщеплювання об'ємної ацил-групи дрібніші й розчинні молекули L-амінокислот виводяться із біореактора через мембрану. Зрештою в реакційній суміші залишаються лише ацил-D-амінокислоти, що за нагрівання знову рацемуються на D- і L-ізомери. Період напівінактивації ферменту, іммобілізованого на полімерній смолі, становить 65 днів. Періодично в колонку доливають свіжу порцію розчину ферменту, який знову адсорбується смолою. Час роботи колонки без зміни носія був більше 8 років.

В Італії фірмою-виробником «Сентрале дель Латте» у середині 80-х років реалізовано перший комерційний процес отримання безлактозного молока.

Лактоза, що є у чималих кількостях у молоці і погано розчинна, викликає кристалізацію ряду молочних продуктів та кондитерських виробів, знижуючи їх якість. Окрім цього, деяка частина населення не може вживати нативне молоко внаслідок недостатності лактази, ферменту, що гідролізує молочний цукор з утворенням глюкози і галактози. Молоко після такої обробки набуває якостей дієтичного продукту. Масштаби виробництва безлактозного молока зростають в багатьох європейських країнах.

Отримання цукру з молочної сироватки в процесі ферментативного гідролізу дозволяє отримувати додаткові кількості цукристих речовин з відходів молочної промисловості. Перші промислові процеси гідролізу лактози молочної сироватки з використанням іммобілізованої лактази здійснені у 1980 р. в Англії і Франції. Заздалегідь демінералізовану сироватку пастеризують і потім пропускають через колонку ферментації з іммобілізованою лактазою. Період напівінактивації ферменту вдається збільшити до 60 діб, потужність установок − 1000 л/год. за 80% конверсії лактози. Глюкоза і галактоза, що при цьому отримується, перевершують за мірою солодощів звичайні цукри в 1,5 разу за рівних економічних показників.

Отримання L-яблучної кислоти ферментативним способом з L-аспарагінової кислоти засновано на використанні фумарази, що іммобілізована у гелі. Яблучна кислота достатньо широко використовується в харчовій і фармацевтичній промисловості як замінник лимонної кислоти. Компанією «Танабе Суйяку» в результаті іммобілізації фумарази в караген вдалося підвищити її операційну стабільність за часом напівінактивації понад 100 діб, при цьому продуктивність процесу перетворення фумарової кислоти на яблучну зросла більш ніж у 5 разів.

Отримання L-аспарагінової кислоти за допомогою ферменту аспартази, що іммобілізована у гелі, за часом напівінактивації препарату до 30 діб можливе з фумарової кислоти. Фермент, приєднуючи аміак до подвійного зв'язку фумарової кислоти, за одну стадію утворює оптично активну форму L-аспарагінової кислоти. Процес реалізований також на основі іммобілізованих у гель мікробних клітин з додатковим хімічним зв'язуванням, час напівінактивації аспартази, що є в клітинах, зріс до 120 діб; технологічний процес практично повністю автоматизований і реалізується в безперервному режимі. Продуктивність установок − до 1,7 т/м на добу.

Окрім представлених і реалізованих у промислових масштабах процесів, іммобілізовані ферменти нині широко використовуються в наукових дослідженнях при розробці нових біотехнологічних процесів отримання цінних продуктів. Це процес отримання глюкози з крохмалю за участю амілази і глюкозоамілази; отримання інвертного цукру (аналог глюкозо-фруктозних сиропів) із сахарози з використанням інвертази. У рамках дієтології розробляються процеси отримання білкових гідролізатів заданого складу за участю іммобілізованих протеаз. Освоюються установки для безперервного ферментативного отримання глюкози з різних целюлозовмісних відходів.

У недалекому майбутньому іммобілізовані ферменти можутьбути використані для таких цілей:

1. Холінестераза може застосовуватися для визначення пестицидів. Ступінь інгібування цього ферменту в присутності пестицидів оцінюють електрохімічними або колориметричними методами.

2. Аналогічним чином інші ферменти можуть використовуватися для визначення токсичних речовин. Так, карбоангідраза дуже чутлива навіть до малих концентрацій хлорпохідних вуглеводнів, гексокіназа − до хлордану, ліндану і токсафену.

3. Іммобілізована диізопропілфторфосфатаза нервових клітин кальмара може знайти застосування для знешкодження фосфоорганічних нервових газів (зоману, зарину).

4. Іммобілізована гепаріназа може застосовуватися для запобігання тромбоутворенню в апаратах штучного кровообігу.

5. Іммобілізована білірубіноксидаза може використовуватися для віддалення білірубіну із крові новонароджених, що страждають на жовтуху.

6. Запропоновано новий спосіб застосування іммобілізованого гемоглобіну. Суть його полягає в тому, що введений у поліуретанову матрицю білок утворює гемогубку, здатну поглинати кисень прямо з води ефективністю 80%. Далі кисень вивільняється з полімеру під дією слабкого електричного розряду або у вакуумі. Припускається, що така система може забезпечувати киснем водолазів або двигуни, що працюють під водою.

7. Можливо, незабаром удасться створити системи з декількох іммобілізованих ферментів. Так, якщо покласти в мікрокапсули три ферменти − уреазу, глутаматдегідрогеназу і глюкозодегідрогеназу, то їх можна буде використовувати для видалення сечовини із крові хворих на ниркову недостатність.

8. Іммобілізовані ферменти знайдуть подальше застосування вмолочній промисловості. При виробництві сиру можутьвикористовуватися іммобілізовані білки, що сприяють зсіданнюмолока, − ренін і пепсин. Для гідролізу жиру в молоці можнавикористовувати іммобілізовані ліпази і естерази.

9. Різноманітні іммобілізовані ферменти згодом знайдуть застосування і в датчиках для швидкого аналізу. Сьогодні використовуються лише декілька ферментів, але коли буде вирішена проблема стабілізації, їх число збільшиться. Особливо корисними через свою високу стабільність можуть стати ферменти термофілів.

Дата добавления: 2017-02-01