Использование ферментов в пищевой промышленности

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РБ

УО «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 

Реферат: Использование ферментов  в пищевой промышленности 

                                                                           Выполнила студент

                                                                              3 курса 3 группы ИТФ

                                                                         Веселик Максим 
 
 
 
 
 

Гродно, 2010г. 

Ферменты  в пищевых технологиях  

Человечество  использует ферменты для приготовления  продуктов питания с незапамятных времен. Эмпирическим путем люди выяснили, что существуют природные субстраты, которые при внесении их в тот  или иной вид сырья вызывают в  нем желательные изменения.  

Такими субстратами были соки растений и ткани животных, содержащие ферменты, а также виноградный сок, молоко, тесто, самопроизвольно сбродившие в результате попадания в них  микроорганизмов. Например, для получения  сыра использовали соки растений, содержащие фермент фицин, или ткани желудка птиц и животных, содержащие фермент ренин. Для тендеризации мяса (размягчения мышечной ткани) использовали сок папайи, содержащий фермент папайи.  
Изучать ферменты начали в XVIII в.. когда были открыты пищеварительные ферменты, выделены ферменты из биологических объектов: пероксидаза из хрена, и α-амилаза из зерна и др. В ХIX в. получены первые чистые формы ферментов и предложен термин «энзим» (от греч, enzymos - связанный с брожением теста). Возникновение энзимологии как самостоятельной научной дисциплины стало возможным с развитием химии, биологии и медицины.  
При изучении механизма действия ферментов было высказано предположение, что ферменты образуют комплексы с субстратами. Для объяснения пространственного взаимодействия между ферментом и субстратом Э. Фишер предложил модель «ключ к замку».  
Наибольший вклад в развитие энзимологии был сделан в XX в. Были разработаны теория фермент-субстратного комплекса и первая математическая модель для описания ферментативной кинетики. Однако вопрос о том. как ферменты ускоряют химические реакции, оставался не выясненным до возникновения теории переходного состояния. В 1948 г. Л. Полинг предположил, что каталитическое действие ферментов достигается стабилизацией переходного состояния химических реакций путем взаимодействия с активным центром фермента, что было в дальнейшем подтверждено экспериментально. В 50-60 гг. XX в. был пересмотрен вопрос субстратной специфичности ферментов. Согласно гипотезе «индуцированного соответствия» (модель Кошланда) ферментная активность может регулироваться небольшими молекулами, отличными от молекул субстрата или продуктов реакции. Было показано существование аллостеричных ферментов, разработаны методы регуляции активности ферментов. Было установлено, что катализ тесно связан с молекулярными взаимодействием между молекулами субстрата и компонентами молекул фермента, а природа и последовательность этих взаимодействий определяются механизмом реакции.  
Начало изучения структуры ферментов было положено работой Д. Самнера, который впервые установил белковую природу ферментов. За 20 лет, прошедших после его открытии, было описано более 130 кристаллических ферментов.  
В середине XX в. методы рентгеновской кристаллографии и ядерно-магнитного резонанса стали использовать для изучения каталитических свойств ферментов и особенностей фермент-субстратных взаимодействий.  
В конце столетия появилась возможность открывать и создавать новые ферменты, ранее не существовавшие в природе, получать микроорганизмы-продуценты ферментов с необходимыми для человека свойствами, идентифицировать ранее неизвестные ферменты, изучить их и модифицировать: изменять аминокислотную последовательность первичной структуры ферментов, а также модифицировать химические группы ферментов, участвующие в образовании фермент-субстратного комплекса.  
Достижения современной энзимологии значительно расширили возможности применения ферментов в первую очередь в медицине и пищевой промышленности, где их используют практически во всех отраслях (табл. 1).  
Это обусловлено их преимуществами по сравнению с химическими катализаторами: избирательностью и стерео-специфичностью действия, возможностью достижения высоких скоростей превращения субстратов при относительно мягких условиях технологии, безвредностью для окружающей среды и человека.  
Ферменты не являются чужеродными для организма человека веществами. В пищевых технологиях используют в основном ферменты, присутствующие в пищевом сырье, которые поступают в организм человека при потреблении свежих фруктов и овощей, орехов, молока, сброженных и консервированных продуктов. В пищевых продуктах ферментов содержится мало - миллиграммы на килограмм продукта. При кулинарной и технологической обработке пищевых продуктов ферменты, как правило, инактивируются. Продолжается поиск новых возможностей использования ферментов в пищевой промышленности. Основными направлениями исследования являются:  
• модификация свойств индивидуальных ферментов с целью повышения их активности и удешевления целевых продуктов;  
• скрининг новых микроорганизмов-продуцентов ферментов;  
• получение новых рекомбинантных ферментов с заданными свойствами;  
• применение ферментативных реакций для получения ценных пищевых ингредиентов и биологически активных веществ;  
• разработка пищевых нанотехнологий с использованием ферментов.  
Современные методы модификации ферментов позволяют увеличивать стойкость ферментов к действию различных химических реагентов и ингибиторов, рН, температурному воздействию; изменять рН оптимума ферментов, их субстратную специфичность и связывающие свойства; регулировать предпочтения определенных металлов-кофакторов и каталитические свойства ферментов.  
Химическая модификация - наиболее известный вид модификации ферментов . Ее методы должны отвечать следующим требованиям:  
• используемые химические реагенты должны быть безвредными (особенно в случаях дальнейшего использования ферментов в пищевых технологиях);  
• условия модификации не должны быть жесткими, приводящими к ухудшению свойств ферментов; модифицированные ферменты должны отделяться от реакционной среды относительно простыми и недорогими способами;  
• применение модифицированных ферментов должно быть экономически выгодным.  

Примером  химической модификации служит модификация  ферментов в условиях неполярной (не водной) среды. Происходящее при  этом снижение активности воды в реакционной системе существенно изменяет свойства ферментов: реакция сдвигается в сторону синтеза; образуются оптически активные продукты; повышается термостабильность фермента и стабильность при хранении; фермент приобретает способность катализировать новые реакции, не протекающие в водной среде (синтез пептидов, алифатических амидов и др.); ферменты проявляют активность в органических растворителях при температуре выше 100 °С. Данный способ химической модификации использован при модификации таких ферментов, как липазы, химотрипсин , трипсин, субтилизин , термолизин , полифенолоксидазы , глюкоамилазы , папаин , химозин . С помощью физико-химических методов модификации изменяют силы электростатического взаимодействия, водородные связи и гидрофобные взаимодействия в молекулах белков.

Например, широко используемый для изомеризации глюкозы в фруктозу фермент ксилозоизомераза модифицируется в направлении увеличения его термостабильности, снижения значения рН оптимума, изменения предпочтения активирующего катиона металла, изменения субстратной специфичности от ксилозы к глюкозе. К активно развивающимся областям энзимологии относится разработка биологических методов модификации ферментов. Особенно многообещающим является направление, получившее название «белковая инженерия». Методы белковой инженерии, основанные на знании зависимости между аминокислотной последовательностью, трехмерной структурой и каталитической активностью ферментов, позволяют успешно модифицировать ферменты для улучшения их технологических свойств. Широко используется способ замены определенных аминокислот в структурах .молекул ферментов.

Показано, что замена в молекуле фосфолипазы А2 Asn89 на Asp и Glu92 на Lys вблизи N-терминального конца спирали 5 увеличивает ккал/моль , а замена Asp56 на Ser, Ser60 на Gly и Asn67 на Туr значительно увеличивает активность и средство фосфолипазы А2 к фосфолипидным мицеллам . Путем замены аминокислот в структурах молекул ферментов изменяют также их субстратную специфичность . Изменение соотношения активности к растворимому и нерастворимому субстратам у целлобиогидролаз достигается путем замены внешних остатков ароматических аминокислот, которые захватывают конец молекулы полисахарида и направляют ее внутрь активного центра. Увеличение стабильности ферментов к температуре и экстремальным значениям рН достигается путем таких замен среди сближенных в его третичной структуре аминокислотных остатков, которые приводят к образованию дополнительных нековалентных гидрофобных связей, солевых мостиков или ковалентных S-S-связей, повышающих общую стабильность глобулы молекулы фермента. Во многих случаях замены осуществляются на основе сопоставления совершенствуемых структyp с соответствующими структурами аналогов из экстремофильных родственных организмов (термо-, ацидо- и алкалофильных).  

Иногда  повышение стабильности ферментов  достигается введением в его  структуру специального термостабилизующего модуля, обнаруженного у некоторых бактерий.  
Повышение стабильности ферментов к протеолизу осуществляется либо путем удаления сайтов узнавания протеаз из структуры доменов, либо путем увеличения степени гликозилирования через введение в них аминокислот; служащих сайтами О- или N-гликозилирования.  
Модификация ферментов осуществляется также с помощью изменения их модульной структуры путем включения или удаления субстратсвязывающего домена. Например, в результате введения в молекулы гликозилтрансфераз целлюлозосвязывающего домена они приобретают способность «сшивать» оборванные концы молекул в аморфных участках на поверхности целлюлозного волокна. Удаление «ненужных» модулей уменьшает массу молекулы, в результате чего повышается эффективность диффузии фермента в субстрат. Изменение характера действия и субстратной специфичности ферментов достигается, например, делецией петель, перекрывающих активный центр экзогидролаз, что превращает их в родственные эндогидролазы [24].  
Один из видов биологической модификации - знзиматическая модификация ферментов. Ферменты используют для модификации протеинов уже более 20 лет. В пищевых технологиях ферменты используются для регулирования функционально-технологических и нутритивных свойств белков , а также для регулирования функционально-физиологических свойств пищевых белков. В 90-х гг XX в. ферменты начали использовать для модификации других ферментов. Сложность осуществления таких реакций обусловлена стерическими факторами, затрудняющими взаимодействие молекул ферментов. Одним из немногочисленных примеров подобной модификации является модификация фосфолипазы А2 тканевой трансглутаминазой . Все шире используются в качестве продуцентов ферментов генетически измененные микроорганизмы. Модификация их генома производится с целью увеличения гиперпродукции продуцируемых этими микроорганизмами ферментов или создания возможности синтеза нехарактерных для данного микроорганизма ферментов.  
С целью увеличения гиперпродукции ферментов микроорганизмы подвергают воздействию различных мутагенов (ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, химических агентов), вызывающих как гибельную мутацию у большей части микробной популяции, так и мутации, способствующие увеличению продукции ферментов. Для каждого мутагена и микроорганизмы подбирают условия мутагенной обработки, позволяющие увеличить количество выживших мутировавших клеток. Оставшиеся жизнеспособными микробные клетки подвергают скринингу по геномным вариантам, отбирая наиболее активных продуцентов определенных ферментов.  
Данный метод, называемым методом классической мутации, впервые был описан в конце 30-х гг. XX в, и активно использовался в 1950-1970 гг. Ему на смену пришли методы модификации генома микроорганизмов, основанные на достижениях генной инженерии. В частности рекомбинантная ДНК (рДНК) технология, позволяющая внедрять в геном микроорганизма гены, ответственные за синтез необходимых ферментов. В настоящее время налажено промышленное производство микроорганизмов-продуцентов рекомбинантных ферментов. Например, ген, ответственный за выработку фермента химозина, выделенный из эукариотического организма, внедряют в геном микроорганизмов Escherihia coli, Kluyveromyces lactis или Aspergillus awamori, которые становятся продуцентами данного фермента . Бактерии Bacillus subtilus используют как продуценты рекомбинантного фермента ацетолактатдекарбоксилазы . Использование микроорганизмов-продуцентов рекомбинантных ферментов имеет ряд преимуществ. Один и тот же микроорганизм может использоваться как продуцент различных ферментных препаратов, что унифицирует технологию их получения. Выход ферментов значительно увеличивается, например выход глюкоамилазы и эндоксиланазы. продуцируемых рекомбинантными штаммами Aspergillus. превышает выход этих ферментов из традиционных штаммов в 10-30 раз.  
Рекомбинантные ферменты отличаются высокой чистотой, что имеет особое значение в пищевых технологиях. Например, использование свободных от протеазной активности амилаз в хлебопечении позволяет улучшить реологические свойства теста, поскольку не происходит разрушения структуры белков клейковины.  
Рекомбинантные ферменты широко применяются в пищевых технологиях (табл. 2). Однако, если в непищевых отраслях промышленности рекомбинантные ферменты применяют без ограничений, то пищевые продукты, полученные с использованием рекомбинантных ферментов, должны быть соответственно маркированы для информирования потребителя.  
Кроме как из природных источников, ферменты могут быть получены путем искусственного синтеза. Перспективен синтез ферментов, не имеющих полипептидных структур, но содержащих аналоги активных центров существующих ферментов. Созданы ферменты, содержащие синтетические полимеры циклодекстринов и металлопроизводных стероидов, являющиеся матриксом, в котором дополнительные реакционные группы ориентированы как активные центры ферментов .  
Циклодекстрины широко используются для создания синтетических ферментов, поскольку способны к гидрофобному связыванию в центральной полости активных соединений. На основе β-циклодекстрина получены различные синтетические гидролитические ферменты , ферменты с химотрипсиновой , трансамилазной и рибонуклеазной активностью [37, 38]. Синтетический химотрипсин был получен путем включения в молекулу β-циклодекстрина каталитических групп - имидозолилбензоиной кислоты или других имидазольных соединений.  
Поскольку синтетические ферменты не содержат аминокислотных остатков, они менее подвершены действию таких факторов, как температура, рН, ионная сила, чем природные ферменты, для конформационной стабильности и биологических функций которых данные факторы являются лимитирующими . Эти свойства синтетических ферментов расширяют возможности ферментативных технологий, в том числе и в пищевой промышленности.