Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнология пищевых продуктов. Учебное пособие
.pdf
4. Назовите, какие микроорганизмы применяют для получения молочной и ук-
сусной кислот.
5. Укажите условия культивирования микроорганизмов при производстве
молочной кислоты.
6. Назовите состав питательных сред для промышленного производства
уксусной кислоты.
7. Расскажите об использовании иммобилизованных клеток в производстве
уксусной кислоты.
8. Опишите применение органических кислот в пищевой промышленности.
9. Укажите, в чем преимущества получения аминокислот с помощью микро-
организмов.
10. Назовите, какие аминокислоты получают путем микробного синтеза, и каковы
их основные продуценты.
11. Применение аминокислот в пищевой промышленности.
12. Расскажите о способах производства липидов микробного происхождения.
13. Назовите витамины, которые получают с помощью микроорганизмов.
14. Применение витаминов в пищевой промышленности.
Глава 3. ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
3.1. ПОНЯТИЯ «ФЕРМЕНТЫ» И «ФЕРМЕНТНЫЕ ПРЕПАРАТЫ»
Ферменты – это высокомолекулярные соединения белковой
природы, являющиеся специфическими катализаторами реакций.
Ферменты способны катализировать миллионы химических превращений в клетках растений, животных, микроорганизмов и воздействовать на соответствующие субстраты вне клетки. Преимуществом
использования ферментов перед химическими катализаторами явля-
ется то, что они действуют в температурном диапазоне от 20 до 70 С
и рН от 4 до 9 при нормальном давлении, в большинстве случаев
имеют высокую субстратную специфичность, что позволяет в сложной смеси биополимеров направленно воздействовать на определенные соединения [16].
31
С помощью ферментов получают ряд пищевых продуктов, кото-
рые используют в пищевой, биохимической, фармацевтической промышленностях.
Различают два понятия: ферменты и ферментные препараты.
Ферменты как правило присутствуют практически во всех живых
объектах: растениях, животных и микроорганизмах. Ферментные
препараты представляют фермент одного вида или смесь ферментов,
иметь различную степень очистки, могут быть добавлены в сырье или
продукт, а также использоваться на закрепленном носителе (иммобилизованные ферменты). Ткани и органы растений, животных и микроорганизмы используют в качестве источника получения ферментных препаратов биотехнологическим методом.
Производство ферментных препаратов является одним из пер-
спективных направлений развития современной биотехнологии.
3.2. ХАРАКТЕРИСТИКА АКТИВНОСТИ
ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
Ферменты являются соединениями белковой природы, поэтому
в смеси с другими белками определить их количество практически
невозможно. Наличие определенного фермента в данном препарате
может быть установлено по результатам той реакции, которую катализирует фермент, т. е. по количеству образовавшихся продуктов реакции или уменьшению исходного субстрата.
Активность ферментного препарата (по международной
классификации) выражают в микромолях субстрата, прореагировавшего в присутствии 1 мл ферментного раствора или 1 г препарата
в заданных условиях за 1 мин. Число микромолей равно числу стандартных единиц активности.
Необходимо придерживаться определенных условий при уста-
новлении активности фермента: вести определение при температуре
30 С и определять активность по начальной скорости реакции, когда
концентрация субстрата достаточна для насыщения фермента [16].
32
3.3. ИСТОЧНИКИ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ
Ферменты
Источник, из которого получают
Амилазы
Ячмень
Протеазы:
папаин
Дынное дерево
фицин
Фиговое дерево
бромелаин
Ананас
Кислая фосфатаза
Картофель
Пероксидаза
Хрен
Уреаза
Канавалия мечевидная
ИЗ СЫРЬЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Источниками ферментов могут выступать вегетативные органы
некоторых растений, отдельные органы животных, в которых накапливаются ферменты, ряд которых представлен в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Источники ферментов растительного происхождения
Амилазы и папаин растительного происхождения наиболее ши-
роко используются в пищевой промышленности. Источником ферментов могут выступать пророщенные зерна различных злаков (например, ячменный солод, содержащий до 1 % амилаз).
Источником протеазы выступает папаин, который добывают при
переработке плодов дынного дерева. Только в США ежегодно расходуют около 1 т папаина для размягчения мяса. Папаин, а также протеазы фицин и бромелаин при контакте с мясом в течение 2 ч
при комнатной температуре расщепляют белки соединительной ткани
– коллаген и эластин.
Из растительного сырья получают также фосфатазы, пероксида-
зы, уреазы, гемицеллюлазы и другие ферменты [16].
3.4. ИСТОЧНИКИ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ,
ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ СЫРЬЯ ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
На мясоперерабатывающих предприятиях для получения ферментов используют и консервируют органы и ткани животных (поджелудочная железа, слизистые оболочки желудков и тонких кишок
свиней и т. п.). Пепсин получают из слизистой желудка крупного ро-
33
гатого скота и свиней, панкреатин, смеси трипсина, химотрипсина,
Ферменты
Источник, из которого получают
Сычужный фермент
Крупный рогатый скот – сычуг
Щелочная фосфатаза
Крупный рогатый скот – кишечник
Лактатдегидрогеназа
Крупный рогатый скот – сердце
Гиалуронидаза
Крупный рогатый скот – семенники
Каталаза
Крупный рогатый скот, свиньи – печень
Пепсин
Свинья – желудок
Трипсин, химотрипсин,
карбоксинпептидаза,
панкреатин, эластаза
Свинья – поджелудочная железа
Фумараза и трансаминаза
Свинья – сердце
Аминоацилаза
Свинья – почки
Ацетилхолинэстераза
Электрический угорь – мышечная ткань
липаз и амилаз получают из поджелудочной железы свиней.
Для размягчения мяса применяют пепсин, трипсин и химотрип-
син, однако более эффективен при обработке мяса панкреатин.
Из сычуга (желудок) молодых телят выделяют реннин (сычужный
фермент), используемый при производстве сыра. Сычужный фермент
участвует в образовании сырного зерна, т. е. осуществляет процесс
образования сгустка при сквашивании и участвует в протеолизе при
созревании сыра. Некоторые наиболее известные ферменты животного происхождения, а также органы и ткани животных, из которых их
получают, представлены в табл. 3.2 [14].
Таблица 3.2
Источники ферментов животного происхождения
3.5. ПОЛУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ,
СОЗДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМОВ
Получать ферменты из микроорганизмов по экономическим и
технологическим соображениям более выгодно, чем из эукариот.
В искусственно созданных условиях микроорганизмы способны синтезировать огромное количество разнообразных ферментов. Они легко переключаются с синтеза одного фермента на другой, нетребовательны к составу питательной среды, и имеют сравнительно неболь-
34
шой период генерации (12–96 ч). Бактерии, грибы, актиномицеты
и дрожжи способны продуцировать ферменты. Для промышленного
получения ферментных препаратов используют как мутантные, так
и природные штаммы микроорганизмов. Микроорганизмы могут
синтезировать одновременно как целый комплекс ферментов, так и
только один фермент, но в больших количествах (характерно для мутантных штаммов). Микробные клетки способны продуцировать более 2000 различных ферментов, катализирующих биохимические реакции, связанные с дыханием, ростом и образованием различных
продуктов. Многие ферменты могут быть легко выделены и проявляют свою активность независимо от того, где они находятся: внутри
микробной клетки или в культуральной жидкости.
Производство ферментных препаратов осуществляют как поверхностным, так и глубинным способами. При поверхностном (твердофазном) культивировании в качестве продуцентов чаще всего выступают
грибы, а при глубинном – бактерии, актиномицеты и дрожжи.
При твердофазном культивировании питательная среда имеет рыхлую или твердую консистенцию, основу которой составляют увлажненные пшеничные отруби. Для придания среде рыхлой консистенции
к пшеничным отрубям добавляют солодовые ростки или древесные
опилки. Процесс микробного биосинтеза ведут в условиях аэрации.
При глубинном способе культивирования принципиальных особенностей нет.
Если продукт (фермент) образуется в культуральной среде в
процессе биосинтеза, то в этом случае используют питательные среды
неопределенного состава. В качестве источника органического
углерода и азота, как правило, используют различные сорта крахмала
(картофельный, кукурузный, рисовый), соевую муку, гидролизаты
биомассы дрожжей или кукурузный экстракт. В случае если ферменты
аккумулируются в биомассе продуцента, то использование подобных
сред недопустимо, поскольку в биомассе образуются нерастворимые
компоненты, затрудняющие выделение и очистку целевого продукта.
Большое значение имеет использование того или иного источника углерода. В случае замены одного источника углерода на другой
35
полностью меняет набор накапливаемых ферментов. Например, Asp.
awamori на средах, содержащих крахмал, преимущественно образует
амилазы, при замене крахмала на ксилан синтезирует ксиланазу, а если в качестве источника углерода применяют растительное масло,
в культуральной жидкости накапливается липаза.
При получении ферментов высокой степени очистки целесообразно
культивировать продуцент в питательной среде строго определенного
состава, что обеспечивает направленное получение нужного фермента.
Ферментные препараты в своем составе имеют до 50 % сухих
веществ. В основном они содержат целый комплекс ферментов. Одним из самых трудоемких биотехнологических процессов является
выделение и очистка ферментов, поэтому в некоторых случаях ферментные препараты применяют в неочищенном виде. Однако в пищевой промышленности используют препараты очень высокой степени
очистки. Активность ферментного препарата зависит от степени отчистки, поэтому чем она выше, тем активнее препарат. В целом ряде
случаев необходимо иметь стандартизованные по активности входящих в их состав ферментов ферментные препараты. В этом случае
используют различные наполнители: соли серной и соляной кислот,
муку, бентонит, крахмал и др. [4].
3.6. НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
МИКРОБНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Существует определенная номенклатура названий ферментных
препаратов, в которой учтены основной фермент, источник получения и степень его очистки. Как уже говорилось в п. 3.5, ферментные
препараты представляют собой комплекс, содержащий помимо основного фермента еще определенное количество сопутствующих
белков и ферментов. Поэтому в технологии ферментных препаратов
принято классифицировать их по основному компоненту в смеси
ферментов, присутствующих в данном препарате: протеолитические,
амилолитические, липолитические и т. д. [14].
Название каждого препарата включает сокращенное название основного фермента, затем добавляется видовое название микроорга-
36
низма-продуцента, заканчивается название препарата суффиксом
«ин». Например, амилолитические препараты, получаемые из культур
Aspergillus oryzae и B. subtilis, называются соответственно амил-
ориз-ин (амилоризин) и амил-о-субтил-ин (амилосубтилин). Мальта-
ваморин П2Х (продуцент Asp. awamori содержит в основном мальта-
зу). Целловиридин Г3Х (продуцент Trichoderma viride содержит
в основном целлюлолитические ферменты).
Затем ставят индекс, в котором обозначены способ производства
и степень очистки фермента от балластных веществ. При глубинном
способе культивирования после названия – букву Г, а при поверхностном – П. После букв Г или П может стоять цифра, обозначающая степень чистоты препарата (Х). Индекс 2Х обозначает жидкий неочищенный концентрат исходной культуры; 3Х – сухой ферментный препарат,
полученный высушиванием распыленного неочищенного раствора
фермента (экстракта из поверхностной культуры или культуральной
жидкости). Технические ферментные препараты с индексами 2Х и 3Х
чаще используют в легкой промышленности и сельском хозяйстве. Для
пищевой промышленности, медицины и научных исследований требуются очищенные и высокоочищенные ферментные препараты. Индекс
10Х означает сухие препараты, полученные осаждением ферментов органическими растворителями или методом высаливания; цифрами 15Х,
18Х, 20Х обозначают препараты, частично освобожденные не только
от балластных веществ, но и от сопутствующих ферментов; выше 20Х
– высокоочищенные и даже гомогенные ферментные препараты.
В нашей стране выпускают следующие ферментные препараты:
амилосубтилин и протосубтилин (продуцент – B. subtilis), пектофоетидин (Asp. foetidus), мальтаваморин (Asp. awamori), амилоризин
(Asp. oryzae), глюконигрин (Asp. niger) и др. [4].
3.7. ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Протеолитические ферменты продуцируются грибами рода
Aspergillus, Penicillium, бактериями рода Bacillus, дрожжами рода
Saccharomyces. Эти ферменты используют при переработке живот-
37
ного сырья в мясной, молочной и рыбной промышленности. Их применяют как размягчители мяса, ускорители созревания мяса и рыбы.
При проведении слабого протеолиза с использованием набора специфических ферментов происходит незначительное изменение структуры мяса, но оно становится качественно лучше, значительно мягче.
Особенно важным является действие ферментов на белки соединительной ткани. В этом случае оказывается возможным значительно
полнее использовать все части туши.
Ввиду нехватки сырья для получения сычужного фермента в последние годы ведутся интенсивные работы по поиску его заменителей ферментами микробного происхождения для сыродельной промышленности. Однако все они уступают ему по свертывающей способности. Хорошими сгустителями являются протеазы, полученные
из штаммов микроскопических грибов рода Mucor и бактерий родов
Bacillus, Pseudomonas и др. В настоящее время в сыроделии применяется около 10 % реннина микробного происхождения.
В пивоваренном производстве протеолитические ферменты применяют для устранения белковых помутнений, а в хлебопечении –
для сокращения времени замеса теста из пшеничной муки с высоким
содержанием клейковины. Протеолитические ферменты используют
как добавки к моющим средствам, что дает высокий эффект
при устранении белковых загрязнений.
Амилолитические ферменты продуцируют грибы рода
Aspergillus, Penicillium, Mucor и бактерии рода Bacillus. Самыми
большими потребителями являются спиртовая и пивоваренная промышленности. Амилазы микробного происхождения добавляют при
подготовке пивного сусла, при спиртовом брожении, чтобы перевести
крахмал в форму, усваиваемую дрожжами. Тем самым можно ускорить или полностью заменить солодование зерна в пивоварении.
Кроме того, амилолитические ферменты применяют в хлебобулочном
производстве, способствуя улучшению структуры мякиша хлеба.
Целлюлолитические ферменты, участвующие в гидролизе
целлюлозы, представляют собой комплекс, состоящий из нескольких
ферментов с различной специфичностью действия: эндоглюканазы,
38
экзоглюкозидазы, β-глюкозидазы и др. Целлюлазы и гемицеллюлазы
могут быть получены только с помощью микроорганизмов. Целлюла-
зы, продуцируемые грибами родов Fusarium, Trichoderma,
Penicillium, применяют в спиртовой, пищеконцентратной промыш-
ленностях, где сырьем являются растительные материалы или отходы
переработки растений, например, в производстве растворимого кофе.
Пектолитические ферменты продуцируют грибы родов
Aspergillus (Aspergillus niger), Penicillium, бактерии Erwinia
caratovora, Clostridium sp. Пектиназы представляют комплекс фер-
ментов, состоящий из полигалактуроназы, пектинметилэстеразы и др.
Эти ферменты используют при производстве осветленных соков из
плодов и ягод, для осветления вин. Применение пектиназ в производ-
стве соков обусловлено тем, что они катализируют гидролиз пекти-
новых веществ растительных клеток, тем самым освобождая сок из
клеточных структур. Применение пектиназ в виноделии увеличивает
скорость фильтрации сусла, способствует его осветлению и стабили-
зации. При этом возрастает содержание экстрактивных веществ, ви-
тамина С, флавоноидов, обладающих Р-витаминной активностью.
В производстве кисломолочных продуктов используют реннин –
ферментный препарат, осуществляющий свертывание молока. Получа-
ют его с помощью микроорганизмов Endothia parasitica и Mucor sp.
Наибольшее распространение получили препараты, в которых
ферменты в активной форме прикреплены к нерастворимой основе.
Такие ферментные препараты называют иммобилизованными. Преимуществом их применения является возможность многократного
использования. В этом случае обрабатываемый раствор пропускают
через основу с иммобилизованным ферментом [8].
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Укажите, в чем отличие ферментов от ферментных препаратов.
2. Определите, что такое активность ферментного препарата.
3. Перечислите основные источники получения ферментов растительного
и животного происхождения.
4. Перечислите, какие микроорганизмы применяют для промышленного про-
изводства ферментных препаратов.
39
5. Назовите способы культивирования микроорганизмов, которые используют
при производстве ферментных препаратов.
6. Расскажите, по какому принципу составляют название ферментного препа-
рата микробного происхождения.
7. Укажите, ферментные препараты какого действия наиболее широко исполь-
зуют в пищевой промышленности.
8. Назовите области применения амилолитических ферментов.
9. Укажите, в каких отраслях пищевой промышленности используются пекто-
литические ферменты.
10. Назовите продуцентов целлюлаз и укажите область их применения.
11. Определите, что такое иммобилизованные ферменты, и укажите, в чем их
преимущество.
ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ
4.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ
В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА БЕЛКА
Сбалансированный белок в кормах по аминокислотному составу
можно получить с помощью биомассы микроорганизмов.
Такой белок имеет целый ряд преимуществ:
высокая скорость роста культуры (микробы в 500 раз быстрее
растут, чем культурные растения, и в 1000–5000 раз быстрее, чем
сельскохозяйственные животные);
большое содержание белка в биомассе (в бактериях до 60–70 %
белка, а в дрожжах до 40–50 %);
хорошая биологическая ценность белков (по аминокислотному
скору белок многих дрожжей и бактерий соответствует эталону (яичному белку);
производство не зависит от метеорологических условий и се-
зонности;
способность к росту биомассы микроорганизмов на различных
субстратах, вторичных продуктах переработки и отходах ряда производств;
возможность организации биотехнологического производства
микробного белка с применением средств автоматизации.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]