Источники и структура протеолитических ферментов

Введение.

Биотехнология - это одна из перспективнейших и бурноразвивающихся отраслей промышленности. Основные направления биотехнологии - пищевая, фармакологическая, медицинская, сельскохозяйственная биотехнологии. Современная биотехнология - это экологически чистые производства лекарственных препаратов, биосинтез белков, аминокислот, витаминов, ферментов и сверхактивных гормонов для сельского хозяйства и медицины, а также создание пищевых и вкусовых веществ.

Издревле человечество использует для своих нужд различные белковые вещества и биологически-активные соединения. К ним относятся белки, аминокислоты, углеводы, липиды, витамины и т. п. Все они сосредоточены в продуктах используемых в пищу. Следовательно, это специализация тесно связана с технологией производства пищевых продуктов. Сейчас пищевая промышленность превратилась в мощную отрасль народного хозяйства. Использование классических методов и внедрение новых технологий производства пищи, внедрение в строй современных производств по выработке новых продуктов питания, вкусовых добавок диктует необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов в этой области. Вместе с тем пищевая промышленность требует коренной реконструкции и модернизации, в которой важную роль играет биотехнология.

Темой курсового проекта является «Использование протеолитических ферментов в пищевых производствах». Развитие пищевой биотехнологии, а в частности использование протеолитических ферментов в пищевой промышленности является актуальным на сегодняшний день, это подтверждается статистическими данные ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства. Они свидетельствуют о том, что проблема обеспечения населения нашей планеты продуктами питания внушает серьезные опасения. По этим данным, более половины населения Земли не обеспечено достаточным количеством продуктов питания, примерно 500 млн. людей голодают, а около 2 млрд. питаются недостаточно или неправильно. К концу XX в. население нашей планеты с учетом контроля рождаемости составило 7,5 млрд. человек. Следовательно, тяжелое уже сейчас положение с продуктами питания может принять в недалеком будущем для некоторых народов угрожающие масштабы. Для решения данной проблемы большие усилия в исследованиях приложены энзимологией.

Ферменты, обладающие способностью гидролизовать  белки, широко используются в самых  различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Протеолитические ферменты выпускаются промышленностью  в большом количестве, это крупнотоннажное  производство. Протеиназы применяются  в пищевой технологии, где идет процесс с использованием микроорганизмов (дрожжи, молочнокислые бактерии и  др.). Введение в процесс протеиназ  позволяет в результате гидролиза  белков обрабатываемого сырья обеспечить дрожжам нормальные условия жизнедеятельности, что улучшает весь технологический  процесс, особенно в пивоварении, спиртовой  промышленности, виноделии. В ряде исследований показано, что протеолитические ферменты могут использоваться в хлебопечении для уменьшения длительности замесов  при производстве заварных сортов хлеба  и специальных изделий, изготавливаемых  из муки с сильной клейковиной. Внесение в тесто небольших количеств  амилаз и протеиназ увеличивает  газообразование, улучшает аромат, цвет корочки и мякиша, позволяет сократить  процесс тестоведения. Широко применяются  протеиназы для снятия различного рода белковых помутнений в пивоварении  и виноделии и для ускорения  фильтрационных процессов. Протеолитические ферменты используются для мягчения (тендеризации) мяса, мясных изделий, рыбы, что облегчает и ускоряет обработку  полупродуктов, повышает их качество. В мясной, рыбной промышленности и  в кулинарии используются не только микробные протеиназы, но и протеиназы, получаемые из растительного и животного  сырья. Высокоочищенные протеолитические ферменты могут с успехом использоваться в крахмало-паточной промышленности для выделения особенно чистого  крахмала без сопутствующих белков.

     Комплексные  ферментные препараты, содержащие  протеиназы, используются в пищеконцентратной  и консервной промышленности при  приготовлении концентратов из трудно развариваемых круп, гороха, фасоли и др.

Таким образом курсовой проект по теме «Использование протеолитических ферментов в пищевых производствах» является заключительным этапом обучения по дисциплине «Пищевая биотехнология» и имеет цель – систематизация, закрепление и расширение теоретических и практических знаний по данной дисциплине и применение этих знаний при решении конкретных производственных, технологических и научных задач.  Курсовой проект выполнен по актуальной тематике и включать аналитический обзор литературы с обсуждением и выводами по новейшим научным, научно-техническим, научно-популярным и учебным изданиям, основы биотехнологических процессов пищевых производств с акцентом на молочную отрасль.

Цель выполнения курсового проекта:

- углубить теоретические  и практические знания по  дисциплине;

- научиться анализировать конкретную технологию  производства основных видов продукции;

- выработать умение прогнозировать  пути и методы  совершенствования  технологий производства продукции;

- закрепить навыки самостоятельной  работы с научной  литературой.

Данный курсовой проект содержит следующие пункты:

-  Источники и структуру протеолитических ферментов;

-  Механизм действия отдельных протеолитических ферментов;

-  Характеристика и получение протеаз растительного, животного и микробного происхождения;

-   Иммобилизированные ферменты;

-  Применение ферментов  в технологиях молочных продуктов.

В основе работы лежит аналитический обзор по актуальной проблеме развития биотехнологии в перерабатывающей отрасли с применением экологически безопасных приемов и методов.

 

 

 

 

 

1. Источники и структура протеолитических ферментов.

Протеолитические ферменты (протеазы), (далее П.Ф.) , (протеиназы, протеолитические ферменты)— ферменты из класса гидролаз, которые расщепляют пептидную связь между аминокислотами в белках. Протеазы являются одними из наиболее важных промышленных ферментов.

Протеазы могут быть разделены на две основные группы: экзопептидазы (отщепляют аминокислоты от конца пептида) и эндопептидазы (расщепляющие пептидные связи внутри пептидной цепи). Эндопептидазы нашли более широкое промышленное применение, чем экзопептидазы. Так же пептидазы классифицируют по оптимуму рН работы фермента (кислые, щелочные или нейтральные протеиназы), по субстратной специфичности (коллагеназы, кератиназы, эластаза и др.), и по их гомологии с хорошо изученными белками (трипсино-подобные, пепсино-подобные). Классификация по строению активного центра протеаз включает:

v сериновые протеазы (трипсин химотрипсин, субтилизин, протеиназа К);

v аспартатные протеазы (пепсин, ренин, микробные аспартатные протеазы);

v цистеиновые протеазы (папаин, фицин, бромелаин);

v металлопротеазы (коллагеназа, эластаза, термолизин).

Протеолитические ферменты могут быть получены из растительных (папаин, фицин и др.), животных (трипсин, ренин и др.) источников и микроорганизмов. Среди микроорганизмов, основными продуцентами являются бактерии, представители родов Bacillus, Streptomyces, Pseudomonas и микроскопические грибы родов Aspergillus, Mucor, Penicillium и др.

Многие П.Ф. прочно ассоциированы с клеточными мембранами и поэтому действуют только на определенные белки (так называемые компартментализация). К ним относят, например, сигнальные протеазы, участвующие в транспорте белков во внеклеточное пространство. В зависимости от локализации фермента протеолиз происходит при различном рН. Так, П. Ф. желудка (например, пепсин, гастриксин) функционируют при рН 1,5-2, лизосомные ферменты-при рН 4-5, а П.Ф. сыворотки крови, тонкого кишечника и др. - при нейтральных или слабощелочных значениях рН. Некоторые П.Ф. используют в качестве кофактора ионы металлов-Са2+, Mg2+ и др.

 Дефектные и чужеродные  белки деградируют в клетке  при участии АТФ-зависимой системы  протеолиза. У эукариот (все организмы, кроме бактерий и синезеленых водорослей) эта система включает низкомолочный. белок убикитин, образующий с белками-субстратами конъюгат, и протеазы, расщепляющие этот конъюгат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Механизм действия протеолитических ферментов.

Протеолитические ферменты играют важнейшую роль в переваривании белков пищи в желудке и кишечнике человека. Большинство протеолитических ферментов органов пищеварения продуцируется в виде проферментов. Физиологический смысл этого заключается в том, чтобы акт продукции фермента (профермента) был отделен от акта его активации — превращения в фермент и, таким образом, белки тканей, продуцирующих ферменты, не подвергались воздействию этих самых ферментов.

П.Ф. играют важную роль во многих процессах, происходящих в организме, например, при оплодотворении, биосинтезе белка, свертывании крови и фибринолизе, иммунном ответе (активации системы комплемента), гормональной регуляции. Активность П.Ф. регулируется на посттрансляционной стадии путем активации их неактивных предшественников (зимогенов), а также действием прир. ингибиторов ферментов (a2-макроглобулина, a1-антитрипсина, секреторного панк-реатич. ингибитора и др.). Нарушения механизмов регуляции активности П.Ф.-причина многих тяжелых заболеваний (мышечной дистрофии, аутоиммунных заболеваний, эмфиземы легких, панкреатитов и др.).

Классификация протеолитических ферментов

 Протеазы подразделяются  на:

экзопептидазы (пептидазы), гидролизующие (расщепляющие), преимущественно, внешние пептидые связи в белках и пептидах

эндопептидазы (протеиназы), гидролизующие, преимущественно, внутренние пептидые связи

 К эндопептидазам относятся наиболее важные для желудочного пищеварения протеолитические ферменты пепсин, гастриксин и химозин, а также вырабатываемые в виде проферментов поджелудочной железой и участвующие в кишечном пищеварении трипсин, химотрипсин и эластаза.

 Экзопептидазами являются протеолитические ферменты карбоксипептидаза А и карбоксипептидаза В, также присутствующие в панкреатическом соке. К экзопептидазам относятся ферменты кишечного сока: аминопептидазы (аланин-аминопептидаза и лейцин-аминопептидаза) и дипептидазы (глицилглицин-дипептидаза, глициллейцин-дипептидаза, пролиназа и пролидаза).

 Протеазы разделяют  на шесть групп, в зависимости  от строения активного центра:

сериновые; в активном центре этих протеаз присутствует серин; сериновые протеазы  — трипсин, химотрипсин и эластаза составляют 44% от общего количества белка экзокринной части поджелудочной железы

треониновые

цистеиновые

аспартильные — желудочные протеазы пепсин, гастриксин, катапепсины Д и Е и другие

металлопротеазы — например, карбоксипептидазы А и В являются Zn-металлопротеазами 

глютаминовые.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Характеристика и получение протеаз растительного, животного и микробного происхождения.

 

1. Характеристика и происхождения протеаз растительного происхождения.

 

Протеолитические ферменты растительного происхождения папаин и бромелайн широко применяются при производстве биологически активных добавок к пище, косметических средств, в качестве компонента зубных паст.

Папаин производится из латекса плодов дынного дерева — Carica papaya Linné, сем. Caricaceae. В народной медицине, кулинарии и виноделии используются плоды, млечный сок и все зеленые части растения. В листья папайи заворачивают мясо, чтобы оно стало более мягким. Млечный сок обрабатывают и используют в приготовлении соусов, приправ, в виноделии и пивоварении. Папаин увеличивает срок хранения пива и некоторых других напитков, он растворяет белковые вещества, способствующие порче продукта и помутнению.

Исследования латекса папайи началось еще в 19 в., а в 40–60-х годах 20 века было установлено, что сухой латекс дынного дерева содержит целый набор цистеиновых протеиназ, включая папаин и химопапаин. Все они обладают сходной активностью и способны гидролизовать различные пептидные связи, за небольшими исключениями. Папин имеет широкую субстратную специфичность, гидролизует казеин, желатин, коллаген, эластин, глобулин, фибрин и другие виды растительных и животных белков, благодаря чему папаин иногда называют “растительным пепсином”.

Папаин способен сохранять высокую протеолитическую активность в широком интервале значений рН: от 3,0 до 10,0. Он устойчив к действию повышенных температур (в диапазоне от 5 до 70°С).

Бромелайн производят из плодов, стеблей и отходов переработки ананаса Ananas comosus (L.) Merrill, сем. Bromeliaceae (Бромелиевые). Ананас культивируется почти во всех тропических странах и широко известен в народной медицине. Сок ананаса применяется для уменьшения отеков при болезнях почек и сердечно-сосудистой системы, обладает хорошим лечебным эффектом при анемиях. Экстракты и сок ананаса улучшают пищеварение, используются для размягчения мяса в кулинарии.

Бромелайн является собирательным названием для протеолитических ферментов, найденных в различных растениях семейства бромелиевые (Bromeliaceae). Бромелайн, выделенный из Ananas comosus, является наиболее изученным. С химической точки зрения, это высокомолекулярный гликопротеид, обладающий способностью гидролизовать такие белковые субстанции, как желатин, казеин, коллаген, эластин, глобулин.

Оба фермента, папаин и бромелайн, относятся к группе растительных цистеиновых эндопептидаз (содержат свободную SH-группу остатка цистеина), основное фармакологическое действие которых направлено на улучшение процессов пищеварения.

Папаин и бромелайн обладают противовоспалительным, противоопухолевым, гепатопротекторным и иммуномодулирующим действием. Улучшают реологические свойства крови и региональную микроциркуляцию, обладают антикоагулятной активностью. Благодаря фибринолитическим свойствам их применяют для ускорения заживления ран. Папаин применяется в офтальмологии для очистки роговицы от посторонних включений при проведении операций. Подобно папаину, бромелайн способствует очищению ран от некротических тканей; стимулирует переваривание нежизнеспособных белков.

При стандартизации всех ферментных субстанций используется понятие “единиц ферментативной активности”. Международной комиссией Биохимического союза в 1961 г. было определено понятие “единицы активности” фермента: за единицу (МЕ или Е) любого фермента было принято такое его количество, которое способствует превращению 1 микромоля субстрата за одну минуту.