Лекция 4. Ферменты и белковые ингибиторы зерна

При переработке пищевого сырья, в т.ч. зерна, его клеточная структура разрушается и в нём начитают интенсивно протекать окислительные и гидролитические процессы. Поэтому технологи, перерабатывающие биологическое сырьё, основное внимание уделяют ферментам двух классов — оксидоредуктаз и гидролаз.

Оксидоредуктазы

Наибольшее значение имеют три фермента класса оксидоредуктаз — тирозиназа, липоксигеназа и глюкозооксидаза.

Тирозиназа — катализирует реакцию окисления тирозина кислородом с образованием меланинов.

С действием тирозиназы связано потемнение срезов картофеля, яблок, грибов, персиков и других растительных тканей. С целью предотвращения ферментативного потемнения плодов и овощей при их сушке, а также макаронных изделий в ходе их производства проводят тепловую инактивацию фермента путём бланшировки.

Липоксигеназа — катализирует окисление кислородом полиненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот (линолевой, линоленовой) с образованием гидроперекисей, обладающих свойствами сильных окислителей.

Этот фермент широко распространён в растительном мире. Его выделили из зерна пшеницы, семян бобовых и масличных культур, клубней картофеля, плодов баклажана. Самым богатым источником липоксигеназы является мука соевых бобов.

Липоксигеназе принадлежит важная роль в процессах созревания пшеничной муки, связанных с улучшением её хлебопекарных достоинств. Образующиеся под воздействием липоксигеназы продукты окисления жирных кислот способны вызывать сопряжённое окисление ряда других компонентов муки — пигментов, SН-групп клейковинных белков, ферментов. При этом происходит осветление муки, укрепление клейковины, снижение активности протеолитических ферментов:

П олиненасыщенные высокомолекулярные жирные кислоты Липоксигеназа

Гидроперекиси полиненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот

Прогоркание Изменение Окисление Окисление Окисление Инактивация

структуры пигментов витамина С SH-групп ферментов,

мембран (каротиноидов) белков в т.ч. протеаз

Образование

дегидроаскорби- Образование

новой кислоты, дисульфидных

окисляющей связей Снижение

глутатион протеолиза

Отбеливание белков

муки Укрепление клейковины клейковины

Липоксигеназные способы улучшения качества хлеба

В разных странах разработаны способы улучшения качества хлеба, основанные на использовании препаратов липоксигеназы (главным образом липоксигеназы соевой муки). Однако все эти способы требуют очень точного дозирования фермента, т.к. даже небольшая его передозировка приводит к отрицательному эффекту и вместо улучшения качества хлеба происходит его ухудшение. Чтобы избежать передозировки фермента, используют методы активации собственной липоксигеназы пшеничной муки.

Использование липоксигеназы для улучшения качества хлеба требует определённой осторожности, т.к. при интенсивном окислении этим ферментом свободных жирных кислот происходит образование различных веществ с неприятным вкусом и запахом, характерным для прогорклого продукта. Следует также помнить, что переокисленные жиры токсичны.

Глюкозооксидаза. Этот фермент окисляет глюкозу с образованием в итоге глюконовой кислоты:

СН₂ОН СН₂ОН СН₂ОН

О О ОН

Н Н ОН ФАД ФАД·Н₂ Н Н + Н₂О Н Н О

= О С

НО ОН Н Н глюкозооксидаза НО ОН Н спон- НО ОН Н ОН

танно

Н ОН Н ОН Н ОН

β-D-Глюкоза Лактон глюконовой кислоты Глюконовая кислота

Восстановленный кофермент реагирует с кислородом, в результате чего образуется токсичная перекись водорода, которая расщепляется каталазой на воду и кислород:

Ф АД·Н₂ + О₂ ФАД + Н₂О₂

каталаза

2 Н₂О₂ О₂ + 2Н₂О

Глюкозооксидазу получают из плесневых грибов рода Aspergillus и рода Penicillium. Её препараты применяют для количественного определения глюкозы, а также для удаления следов глюкозы и кислорода.

Удаление следов глюкозы проводят при обработке пищевых продуктов, качество и аромат которых ухудшаются из-за того, что в них содержатся восстанавливающие сахара, например, при получении из яиц сухого яичного порошка (таким способом предотвращают протекание реакции Майяра, чтобы избежать потемнения порошка).

Удаление следов кислорода проводят при обработке пищевых продуктов, в которых длительное присутствие его небольших количеств приводит к изменению аромата и цвета (пиво, вино, фруктовые соки, майонез). С этой целью вносят пакетики, содержащие смесь воды, глюкозы, фермента, буфера и каталазы. Таким способом, например, удаляют кислород из банок с сухим молочным порошком.

Гидролазы

Эти ферменты расщепляют липиды, полисахариды, белки. До разрушения клетки гидролазы содержатся в лизосомах, а после её разрушения — осуществляют процесс автолиза. Наибольшее значение среди ферментов этого класса имеют эстеразы, гликозидазы и протеазы.

Эстеразы. К эстеразам относится фермент липаза, катализирующий реакцию расщепления жиров с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Накопление свободных жирных кислот является причиной роста кислотного числа жира. Эти кислоты легко подвергаются окислению под воздействием различных факторов. Таким образом, липаза инициирует процесс прогоркания, что ограничивает сроки хранения пищевых продуктов.

Липаза также вызывает переэтерификацию триацилглицеринов, т.е. изменение их жирнокислотного состава, что можно использовать для получения новых форм жировых продуктов. Так, например, можно получать аналог дорогого масла какао из дешёвого исходного сырья.

Гликозидазы — расщепляют полисахариды.

Основной формой запасания углеводов является крахмал. Его ферментативные превращения лежат в основе многих пищевых технологий.

Интенсивность гидролиза крахмала в перерабатываемом сырье определяется взаимодействием многих факторов:

1. активностью амилаз, т.е. возможностью перехода связанной формы амилаз в свободную;

2. доступностью крахмала действию ферментов (атакуемостью субстрата), которая зависит от фракционного состава крахмальных гранул, т.е. соотношения мелких и крупных крахмальных зёрен, а также от содержания повреждённых гранул крахмала, которые легче поддаются действию ферментов;

3. высвобождением амилаз из связанного состояния под действием протеаз;

4. гидролизом той части запасных белков, которая прочно связана с поверхностью крахмальных зёрен, что облегчает доступ фермента к субстрату;

5. активностью системы белковых ингибиторов амилаз и протеаз, которые регулируют расщепление крахмала. Они образуют неактивные комплексы:

Белковый ингибитор • Амилаза, Белковый ингибитор • Протеаза

В зерне пшеницы содержится двуцентровой ингибитор, который ингибирует активность и амилаз, и протеаз:

Протеаза • Белковый ингибитор • Амилаза

Протеазы — расщепляют запасные белки до аминокислот при прорастании семян.

Выделяют несколько типов протеаз, различающихся по оптимуму рН среды, в которой они проявляют свою каталитическую активность:

1. кислые протеиназы — рН_opt 3,7–4,0;

2. нейтральные протеиназы — рН_opt 6,5–7,0;

3. щелочные протеиназы — рН_opt > 8,0.

Наиболее интересны нейтральные протеиназы. Они существенно более активны, чем прочие и эффективно расщепляют белки клейковины в тесте.

В созревших семенах пшеницы нейтральные протеиназы находятся в неактивном комплексе с белковыми ингибиторами. Это определяет стабильность белкового комплекса в водных суспензиях. Поэтому автолитические процессы в тесте выражены слабо.

При прорастании зерна происходит распад комплекса

Белковый ингибитор • Протеаза

и начинается интенсивный протеолиз запасных белков.

Регулирование активности протеаз в ходе технологического процесса

Фенольные соединения, Продукты сахароаминных реакций

ароматические аминокислоты и др. (меланоидины)

Х лорид натрия Нейтральные протеиназы Липоксигеназа

Белки пшеничной муки

Нейтральные протеиназы ингибируются фенольными соединениями, ароматическими аминокислотами, меланоидинами и др.

Хлорид натрия является обязательным компонентом рецептуры и снижает интенсивность автолиза на 60–70 %. В зависимости от качества муки и состояния клейковины можно, варьируя время внесения соли, регулировать интенсивность протеолиза. Если мука слабая, то NaCl нужно вносить как можно раньше, а если клейковина чрезмерно крепкая, то следует активизировать протеолиз и вносить NaCl на более поздних стадиях.