Источники и структура протеолитических ферментов

 Иммобилизация ферментов  в гелях обеспечивает равномерное  распределение энзима в объеме  носителя. Большинство гелевых матриц  обладает высокой механической, химической, тепловой и биологической  стойкостью и обеспечивает возможность  многократного использования фермента, включенного в его структуру. Однако метод непригоден для  иммобилизации ферментов, действующих  на водонерастворимые субстраты.

^ Иммобилизация ферментов  в полупроницаемые структуры. Сущность  этого способа иммобилизации  заключается в отделении водного  раствора фермента от водного  раствора субстрата с помощью  полупроницаемой мембраны, пропускающей  низкомолекулярные молекулы субстратов  и кофакторов, но задерживающей  большие молекулы фермента. Разработано  несколько модификаций этого  метода, из которых интерес представляет  микрокапсулирование и включение ферментов в липосомы.

 Достоинства метода  микрокапсулирования: простота, универсальность, возможность многократного использования  нативного фермента (фермент может  быть отделен от непрореагировавшего  субстрата и продуктов реакции  процедурой простого фильтрования). Особенно существенно, что методом  микрокапсулирования могут быть  иммобилизованы не только индивидуальные  ферменты, но и мультиэнзимные  комплексы, целые клетки и отдельные  фрагменты клеток. К недостаткам  метода следует отнести невозможность  инкапсулированных ферментов осуществлять  превращения высокомолекулярных субстратов.

 Близким к инкапсулированию  методом иммобилизации можно  считать включение водных растворов  ферментов в липосомы, представляющие  собой сферические или ламеллярные  системы двойных липидных бислоев. Для получения липосом из растворов  липида (чаще всего лецитина) упаривают  органический растворитель. Оставшуюся  тонкую пленку липидов диспергируют  в водном растворе, содержащем  фермент. В процессе диспергирования  происходит самосборка бислойных  липидных структур липосомы, содержащих  включенный раствор фермента.

 

 Ферменты, иммобилизованные  путем включения в структуру  липосом, используют преимущественно  в медицинских и научных целях, ибо значительная часть ферментов  в клетке локализована в составе  липидного матрикса биологических  мембран, поэтому изучение липосом  имеет большое значение для  понимания закономерностей процессов жизнедеятельности в клетке.

^ Химические методы иммобилизации  ферментов. Иммобилизация ферментов  путем образования новых ковалентных  связей между ферментом и носителем  — наиболее массовый способ  получения промышленных биокатализаторов.

 В отличие от физических  методов этот способ иммобилизации  обеспечивает прочную и необратимую  связь фермента с носителем  и часто сопровождается стабилизацией  молекулы энзима. Однако расположение  фермента относительно носителя  на расстоянии одной ковалентной  связи создает стерические трудности  в осуществлении каталитического  процесса. Фермент отделяют от  носителя с помощью вставки (сшивка, спейсер), в роли которой чаще  всего выступают бифункциональные  и полифункциональные агенты (бромциан, гидразин, сульфурилхлорид, глутаровый диальдегид и др.).

 Сочетание уникальных  каталитических свойств энзимов  с преимуществами иммобилизованных  ферментов как гетерогенных катализаторов  позволило создать новые промышленные технологические процессы [2].

 В настоящее время  в мире разработаны следующие  крупномасштабные производства  с использованием иммобилизованных ферментов и клеток.

 Рис. 1. Использование  иммобилизованных ферментов в  пищевой промышленности

Таким образом, использование иммобилизованных ферментов во многих жизненно важных отраслях народного хозяйства становится все более массовым. Выгодное сочетание избирательности и эффективности с долговечностью и стабильностью иммобилизованных ферментов в корне меняет химическое производство, способы добывания сырья, способствует созданию новых биотехнологических процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Применение ферментов в технологиях молочных продуктов.

 

Наряду с прикладной микробиологией промышленное использование ферментов относится к важным секторам современной биотехнологии. Биохимические превращения, активируемые ферментами, проходят при обычной температуре, без заметного перепада давления, на несколько порядков превосходя промышленные химические процессы по скорости и энергетической эффективности.

Применение ферментных препаратов в молочной промышленности долгое время носило ограниченный характер. Развитие биоинженерных технологий способствует все более широко му использованию специально изготовленных энзимных препаратов для интенсификации технологических процессов производства молочных продуктов.

Традиционно ферментные препараты в молочной промышленности использовали для концентрирования казеиновой и жировой частей молока. После внесения сычужного фермента (химозина) или его заменителей в специально подготовленное молоко, из расчета 10—30 частей на миллион, происходит активированное ферментом формирование белковой структуры, которая в последующем самопроизвольно сжимается, выделяя меж-мицеллярную жидкость — сыворотку с растворенными в ней солями, лактозой и сывороточными белками. В результате измельчения сгустка и его перемешивания через несколько часов заканчивается процесс получения казеинового концентрата с включенными в его структуру жировыми шариками. По затратам энергии этот процесс значительно эффективнее, чем выпаривание в вакуум-выпарной установке и фракционирование на центрифугах.

 

 

 

 

 

 

Ферменты - биологические катализаторы белковой природы, обладающие высокой активностью и специфичностью действия. Их применение значительно увеличивает скорость химических превращений, что позволяет сократить продолжительность многих технологических процессов. С помощью ферментов может быть обеспечена также определенная направленность процессов при получении ценных компонентов продуктов питания.

Для гидролиза лактозы используют фермент β-галактозидазу. В результате гидролиза плохо растворимый и несладкий сахар-лактоза превращается в более сладкую и хорошо растворимую смесь моносахаров (глюкозы и галактозы), что позволяет широко использовать фермент для производства пищевых и кормовых продуктов. Уравнение гидролиза лактозы можно представить так:

 

C12H22O11 + H2O → С6H12О6 + C6H12О6.

 

Лактоза                 Глюкоза         Галактоза

В результате гидролиза в моносахара превращается до 50-70% лактозы, увеличивается сладость и усвояемость готового продукта. Во многих странах пользуются популярностью кисломолочные продукты и налитки, вырабатываемые из молока с гидролизованной лактозой. Проводятся исследования по производству сыра из гидролизованного молока. Сыр, по сравнению с контрольными образцами, отличается более высокими вкусовыми качествами и ускоренным процессом созревания.

Особый интерес представляет возможность выработки продуктов и полуфабрикатов из молочной сыворотки с гидролизованной лактозой. Такие полуфабрикаты из сыворотки могут широко использоваться для приготовления различных напитков, пищевых сиропов и подслащающих веществ для кондитерской промышленности. Использование этих полуфабрикатов в хлебопечении позволяет добиться хорошей сбраживаемости опары хлебопекарными дрожжами, улучшить качество хлеба.

Сыворотку после гидролиза рекомендуется сгущать при температуре 55-65°С до массовой доли сухих веществ 40%. Продукт такой концентрации обладает сравнительно невысокой вязкостью, в нем не происходит кристаллизации лактозы.

В нашей стране и за рубежом проводятся работы по созданию и использованию иммобилизованных ферментов. Иммобилизованные ферменты - это нерастворимые вещества, в которых фермент связан с каким-либо носителем силами адсорбции или ковалентными связями, либо заключен в матрицы или микрокапсулы. Иммобилизованные ферменты сохраняют свою специфичность и активность, они могут быть легко удалены из конечного продукта, т.е. могут быть использованы многократно. Кроме того, иммобилизация повышает стабильность фермента, позволяет проводить гидролиз в течение продолжительного времени и без добавления чужеродных материалов в готовый продукт. Такие ферменты как пепсин, протосубтилин попользуются для производства сывороточного концентрата КОМС. Сывороточный концентрат КОМС вырабатывается путем сгущения подсырной или творожной сыворотки, предварительно обогащенной растворимыми азотистыми веществами и витаминами. Концентрат предназначается для производства безалкогольных напитков или напитков брожения.

Для обогащения сыворотки используют ее белковые вещества, оставшиеся после операции осветления. Белковые вещества в сыворотке диспергируют, если пропустить сыворотку через центробежный насос в течение 10 - 15 мин, ферментные препараты (пепсин, протосубтилин) готовят в виде раствора. В качестве активатора протеолитических процессов используют автолизированные пивные дрожжи. Одновременно они обогащают сыворотку витаминами группы В и аминокислотами.

Ферментацию сыворотки проводят при периодическом перемешивании в течение 3,5 - 4 ч при температуре 29°С или в течение 1 ч при 40°С. Обогащенную сыворотку нагревают до 93°С, охлаждают до 62°С, фильтруют через бязь и направляют па сгущение. Негидролизованный белок поступает на повторный гидролиз.

Ферментные препараты используются также при производстве молочного сахара-сырца улучшенного. Сущность технологии заключается в том, что в подсгущенную сыворотку для гидролиза остаточных азотистых соединений сиропа вносят ферментный препарат панкреатин при температуре 50 - 55°C [4].

5. Комплексное использование  промежуточных продуктов производства  молочного сахара на кормовые концентраты

Основным продуктом, вырабатываемым из подсырной сыворотки, является молочный сахар [5]. На его производство расходуется около 50% сыворотки, перерабатываемой в промышленности. При этом получаются промежуточные продукты данного производства (меласса и сывороточные белки), в которые переходит 2/3 сухих веществ сыворотки. Цикл переработки молока в плане использования всех его составных частей остается и этом случае незавершенным. Этот недостаток не исключает разрабатываемые в последние годы новые способы производства молочного сахара, такие, как способ Л.П. Фиалкова [6] с применением пороговой центрифуги и способ, основанный на гидролизе белков протеолитическими ферментами.

По своему составу эти промежуточные продукты являются ценным сырьем для дальнейшей промышленной переработки.

 Северо-Кавказском филиале  ВНИИМС в 1974 - 1976 гг. разработана технология  получения на основе мелассы  сухого сывороточного концентрата  (ССК) для кормовых целей. Разработана и утверждена нормативно-техническая документация, технические условия ТУ РСФСР 49253-75 и цена (350руб. за 1т).

Данная технология внедрена на Александровском маслосырзаводе Ставропольского края с 1975 года [7]. В настоящее время на Александровском МСЗ при выработке молочного сахара используются все составные части молока. В сточные воды попадают загрязнения в незначительном количестве лишь при мойке оборудования.

Часть мелассы и сывороточных белков (альбуминного молока), которые нет возможности переработать на ССК, используются для выработки жидкого сывороточного концентрата - ЖСК [8].