Гидролитические ферменты

Роль ферментов класса гидролаз в пищевых технологиях очень велика. Для технологов наибольший интерес представляют три подкласса ферментов класса гидролаз. Это ферменты, действующие на сложноэфирные связи – эстеразы; действующие на гликозидные соединения – гликозидазы и действующие на пептидные связи – протеазы.

Эстеразы. Этот подкласс включает большое число ферментов (около 150), которые разделены на семь подподклассов. Наиболее важными с точки зрения участия в различных биохимических процессах, имеющих место при хранении и переработке пищевого сырья, являются ферменты подподкласса липаза.

Липаза широко распространена в природе и играет важную роль в процессах, протекающих при переработке и хранении пищевых продуктов. В настоящее время выделены и охарактеризованы липазы растительного происхождения (липаза клещевины, пшеницы и других злаков), животного (панкреатическая липаза, липаза молока) и микробного (бактериальные и грибные липазы). Обычно липазы катализируют реакцию расщепления триглицеридов.

Установлено, что липазы быстрее отщепляют остатки высокомолекулярных жирных кислот, чем низшие карбоновые кислоты. Липазы различного происхождения сильно отличаются друг от друга по специфичности действия, сродству к различным субстратам, растворимости, оптимуму рН и другим свойствам. Так, например, липаза семян клещевины нерастворима в воде, имеет оптимум рН 4, 7 – 5, 0; панкреатическая липаза растворима, и оптимум рН ее действия лежит в слабощелочной среде. Липазы микробного происхождения и липаза пшеничных зародышей также отличаются от липазы клещевины. Они растворимы в воде и имеют рН оптимум при 8, 0. Липаза молока имеет оптимум рН 9, 0 – 9, 2 при гидролизе молочного жира.

Зерновая липаза участвует в процессе порчи зерновых продуктов при хранении. Особенно это касается продуктов, содержащих повышенное количество жира, например, овсяной муки или крупы, пшена. Накопление свободных жирных кислот под действием липазы (рост кислотного числа жира) – признак ухудшения качества продукта. Свободные жирные кислоты, особенно ненасыщенные, легко подвергаются окислению под воздействием разных факторов: липоксигеназы, тепловой обработки, кислорода воздуха, солнечного света и др. Таким образом, липазы могут инициировать процесс прогоркания и ограничивать сроки хранения пищевых продуктов.

Одна из особенностей липаз связана с тем, что эти ферменты способны катализировать и обратную реакцию, осуществлять синтез сложных эфиров, а также производить переэтерефикацию триглицеридов, т. е. изменять их жирнокислотный состав.

Пектинэстераза – катализирует гидролиз сложноэфирных связей в молекуле растворимого пектина, в результате чего образуется метиловый спирт и полигалактуроновая кислота. Действие пектинэстеразы по отщеплению метоксильных групп приводит к снижению желирующей способности пектина и сопровождается падением вязкости. На этом, очевидно, и основывается применение этого фермента для осветления плодовых соков и вина. Обычно комплексные препараты пектолитических ферментов, применяемые для этих целей, получают из различных плесневых грибов, и, прежде всего, из A. niger.

Гидролазы гликозидов или гликозидазы. Этот подкласс включает около ста ферментов с разной специфичностью действия, осуществяющих гидролиз олиго- и полисахаридов.

α -Амилаза. Ферменты этого подклассаобнаружены у животных (в слюне и поджелудочной железе), в растениях (проросшее зерно пшеницы, ржи, ячменя), они вырабатываются плесневыми грибами и бактериями. Все эти ферменты гидролизуют крахмал, гликоген и родственные α -1, 4-глюканы с образованием, главным образом, декстринов и небольшого количества дисахарида – мальтозы. α --Амилазы гидролизуют α -1, 4-связи внутри молекулы крахмала, разрывая связь между первым углеродным атомом и кислородом, связывающим этот углерод с соседней молекулой глюкозы.

Характерной особенностью всех α --амилаз является наличие одного атома Са на молекулу фермента. Роль кальция состоит в том, что он стабилизирует вторичную и третичную структуру молекулы α -амилазы, обеспечивая таким образом ее каталитическую активность и вместе с тем предохраняя фермент от действия протеолитических ферментов и тепловой денатурации.

Различные α -амилазы отличаются по молекулярной массе, устойчивости к нагреванию и некоторым другим показателям. Большое практическое значение имеет влияние температуры и рН на стабильность амилаз. Быстрое разрушение зерновой α --амилазы при рН 3, 3 – 4, 0, например, дает возможность выпекать ржаной хлеб из муки, которая содержит избыток α -амилазы, при низких значениях рН, чтобы предотвратить излишнее декстринирование крахмала и образование клейких веществ в мякише хлеба.

β -Амилаза – отщепляет мальтозу от нередуцирующего конца цепи, разрывая гликозидные связи через одну. Название «β - амилаза» было выбрано для того, чтобы показать, что мальтоза образуется в β -аномерной форме. β -амилаза последовательно отщепляет остатки мальтозы с нередуцирующего конца до тех пор, пока не встретится точка ветвления со связью α -1, 6. При этом амилоза под действием β -амилазы расщепляется до мальтозы на 100 %, а при действии β -амилазы на амилопектин помимо образующейся мальтозы остается нетронутой крупная, сильно разветвленная сердцевина, так называемый «конечный декстрин», т. к. фермент прекращает свое действие за 2 – 3 остатка глюкозы от точек ветвления.

β -Амилазы — это ферменты в основном растительного происхождения. Хорошо известными источниками являются зерно пшеницы, а также пшеничный и ячменный солод, соевые бобы, клубни картофеля. В отличие от α -амилазы, β -амилаза менее термостабильна, сохраняет свою активность при рН 3, 3. Это нашло свое отражение в способе разделения α -и β -амилаз солода, где оба фермента присутствуют одновременно.

Глюкоамилаза. Эти ферменты расщепляют как амилозу, так и амилопектин до глюкозы, последовательно действуя с нередуцирующего конца цепи крахмала. Они способны гидролизовать α -1, 4 и α --1, 6 гликозидные связи. Различные глюкоамилазы отличаются друг от друга скоростью гидролиза крахмала, отношением к температуре и рН, и некоторыми другими показателями.

β -Фруктофуранозидаза (инвертаза или сахараза). Для промышленного производства имеют значения только ферменты из S. cerevisiae и S. carlsbergensis. β -Фруктофуранозидазу выделяют из дрожжей путем автолиза. В результате действия фермента на сахарозу получается смесь эквимолярных количеств α -глюкозы и β -фруктозы, получившая название «инвертного сахара». Термин «инверсия» обозначает изменения, происходящие в способности сахара вращать плоскость поляризованного света. Оптимум рН дрожжевой инвертазы находится в достаточно широкой зоне от 4, 0 до 5, 5. Инвертаза находит широкое применение в пищевой промышленности. Гидролиз концентрированных растворов сахарозы приводит к образованию более сладких сиропов. Точка кипения инвертированных сиропов выше, а точка замерзания ниже, т. к. при инверсии повышается осмотическое давление. Образовавшиеся при действии инвертазы моносахариды более растворимы, не так легко выкристаллизовываются из высококонцентрированных сиропов. Практическое использование инвертазы в кондитерской промышленности.

β -Галактозидаза – фермент, который часто называют лактазой, катализирует реакцию гидролитического отщепления нередуцирующих остатков β -D-галактозы в частности, в лактозе. Ферментные препараты лактазы, применяемые в пищевой промышленности, получают с помощью различных продуцентов: микроскопических грибов (A. oryzae, A. niger), бактерий (Е. coli, Lactobacillis), дрожжей (S. fragilis, S. psedotropicalis). Все они имеют различные температурные оптимумы, которые лежат в пределах 37 – 50 °С. Оптимумы рН этих ферментов также заметно отличаются: для бактериальных – около 7, 0; для грибных около 5, 0; для дрожжевой лактазы около 6, 0.

При гидролизе лактозы в цельном молоке, обезжиренном молоке или в концентратах молока оптимальную активность проявляет дрожжевой фермент; для сыворотки и его концентратов – грибной. Причем в обезжиренном молоке или сыворотке лактоза гидролизуется легче, чем в цельном, а пастеризованные субстраты гидролизуются легче, чем непастеризованные.

Эндо- и экзополигалактуроназа. Эти два фермента участвуют в превращениях пектиновых веществ наряду с другими пектолитическими ферментами растительного и микробного происхождения. Эндополигалактуроназа – фермент, который гидролизует α -1, 4-связи в молекуле растворимого пектина произвольным образом. Оптимальные значения рН колеблются в диапозоне 3, 8 – 5, 5. Эндополигалактуроназа синтезируется как грибами, так и некоторыми видами бактерий. Экзополигалактуроназа последовательно отщепляет молекулу галактуроновой кислоты, начиная с нередуцирующего конца.

Для промышленного производства ферментных препаратов пектолитических ферментов, которые являются комплексными, в качестве продуцентов используют в основном микроскопические (плесневые) грибы, в частности, грибы рода Aspergillus: A. niger, A. wentii, A. oryzae. Бактериальные ферменты в промышленных масштабах не производятся.

Растительные полигалактуроназы похожи на грибные полигалактуроназы. Они обнаружены в широком спектре плодов и овощей: помидорах, авокадо, редисе, огурцах, яблоках, грушах, цитрусовых и др. Все они проявляют активность при естественных рН плодов. Применение препаратов пектолитических ферментов в промышленности достаточно обширно. Они используются при производстве фруктовых соковых концентратов и экстрактов, при осветлении соков и вин, при производстве фруктовых и овощных пюре и нектаров.