Цель работы: изучить бы иохимични процессы и использование ферментов в пищевых технологиях.
Задача: изучить бы иохимични процессы и использование ферментов в пищевых технологиях.
По оценкам специалистов, около 80% пищевых производств так или иначе связанные с использованием микробиологических процессов. Во многих производствах они используются еще с древности. Такими древними биотехнологиями являются
На современном этапе развития пищевых технологий наблюдается как дальнейшая модернизация традиционных биотехнологий, так и разработка новых. Основными направлениями модернизации являются применение биотехнологий для интенсификации производства, для уменьшения негативного влияния жестких режимов, для улучшения качества, усиления вкусовых, ароматических и других потребительских свойств продукции. Наряду с этим в развитии биотехнологий сейчас прослеживаетсятри четкие тенденции. Первая связана с разработкой и внедрением биотехнологий производства новых видов продукции. Это, прежде всего, микробиологический синтез ферментов и комплексных ферментных препаратов, антибиотиков, биостимуляторов, пищевых добавок. Вторая тенденция касается использования биотехнологий для утилизации отходов пищевых производств, бытовых отходов, очистки сточных вод и промышленных выбросов. Третья тенденция связана со способностью микроорганизмов усваивать непищевое сырье и образовывать метаболиты, пригодные для использования в пищевых производствах. Это биоконверсийни методы переработки отходов деревопереработки (щепа, опилки, кора, хвоя), сельского хозяйства (солома, ботва, шелуха), целлюлозно-бумажного производства (щелочи), переработки угля, нефти и природного газа (парафины, битумы, смолы).
Большинство традиционных и новых биотехнологий основаны на использовании процессов брожения, гидролиза и синтеза.Особенно широкое распространение получили бродильные производства: производство этилового спирта, виноградных и плодово-ягодных вин, пивоварения, хлибовипичка, молочнопереробне и другие пищевые производства, основу технологии которых составляет процесс брожения.
Брожение – это процесс распада безазотистых органических веществ под действием ферментов, выделяемых микроорганизмами.В этом процессе микроорганизмы обычно используют углеводы, которые для них питательным веществом.
При порче продуктов товародвижения чаще сталкиваемся с спиртовым, молочнокислым, уксуснокислым, пропионовокислых, маннитного брожения, брожением целлюлозы, расписание древесины и т.п..
Спиртовым брожением называется процесс превращения сахаров микроорганизмами с образованием этилового спирта и углекислого газа. В общем виде процесс можно представить химическим уравнением
С 6 Н 12 О 6 = 2СН 3 СН 2 ОН + 2СО 2 + енергія.
Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, а также некоторые плесневые грибы, особенно из рода мукоровых, но они, по сравнению с дрожжами, образуют гораздо меньше этилового спирта.
Спиртовое брожение, в результате жизнедеятельности указанных микроорганизмов, может стать причиной порчи фруктово-ягодных соков, компотов, сладких вин с малым содержанием спирта, варенья, джемов, содержащие менее 60% сахара.Вследствие брожения в этих товарах изменяется внешний вид, консистенция, вкус и запах. С спиртовым брожением бороться трудно, потому что многие виды дрожжей не прекращает своей жизнедеятельности даже при температурах О ° С.
Молочнокислое брожение происходит под влиянием гомоферментативных бактерий, которые образуют преимущественно молочную кислоту и небольшое количество побочных продуктов, и гетероферментативных молочнокислых бактерий, которые при сбраживании сахаров наряду с молочной кислотой (40%), образуют значительное количество других продуктов: янтарную и уксусную кислоты, этиловый спирт , углекислый газ, водород. Общую работу этих двух видов молочнокислых бактерий можно представить такими химическими уравнениями:
1) С 6 Н | 2 О 6 = 2СН 3 СНОНСООН + енергія;
сахар молочная кислота
2) С 6 Н, 2 О 6 = СНзСНОНСООН + СООНСН 2 СН 2 СООН + СНзСООН + СН 3 СН 2 ОН + СО 2 + Н 2 + енергія;
сахар молочная кислота бурштинна кислота уксусная кислота этиловый спирт
Молочнокислые бактерии часто поражают такие продукты, как молоко, пиво, сладкие крепленые вина. В винах появляется запах квашеной капусты или соленых огурцов и очень неприятный вкус, сильно мутнеют.
Гомоферментативных виды молочнокислых бактерий способны при брожении накапливать до 3,2% молочной кислоты.Оптимальная температура для развития 25-35 ° С. Молочнокислые бактерии способны сбраживать полисахариды. Очень требовательны к азотного питания, а потому не могут расти в синтетических средах. Также необходимо учитывать, что в благоприятном питательной среде, они способны проводить брожение и при температурах 5 ° С.
Маслянокислое брожение вызывается различными видами маслянокислых бактерий, которые способны в зависимости от имеющегося ферментативного аппарата сбраживать в анаэробных условиях различные углеводы, спирты и другие органические соединения до масляной кислоты. В общем процесс маслянокислого брожения можно представить химическим уравнением
С 6 Н 12 О 6 = СН 3 СН 2 СН 2 СООН + 2СО 2 + 2Н 2 + енергія
Кроме масляной кислоты в процессе брожения могут образовываться кроме показанных веществ еще и уксусная кислота, бутиловый спирт, капроновая и каприловая кислоты. Все зависит от среды, в котором происходит брожение. Образование масляной кислоты в значительных количествах происходит в нейтральной среде, в кислой среде накапливается бутиловый спирт и ацетон. Маслянокислые бактерии участвуют в минерализации органических веществ, разрушающих пектиновые вещества в растительных тканях. Эту способность маслянокислых бактерий используют при вымачивании льна и других волокнистых растений. При переработке и хранении молока, овощей следует избегать маслянокислого брожения, которое значительно снижает органолептические свойства товаров. Оптимальная температура развития маслянокислых бактерий находится в пределах 30-40 ° С. Споры достаточно термостойкие, выдерживают кипячение в течение нескольких минут. Они чувствительны к кислотности среды, оптимум рН == 6,9 – 7,3, при рН ниже 4,9 перестают развиваться.
Уксуснокислое брожения – это процесс окисления уксусными бактериями этилового спирта в уксусную кислоту, который проходит в две стадии:
1) СН 3 СН 2 ОН + О 2 = 2СН 3 СНО + 2Н 2 О 2) 2СН 3 СНО + О 2 = 2СН 3 СООН.
Так как потребительские субстратом для уксуснокислых бактерий есть спирт, то в аэробных условиях, при наличии кислорода воздуха, уксуснокислое брожение может произойти в продуктах, имеющих в своем составе этиловый спирт в концентрации не выше 10-11%. Оптимальная температура развития уксуснокислых бактерий лежит в пределах 20-35 ° С, Некоторые виды уксуснокислых бактерий способны синтезировать витамины В], В 2 и В | 2 .
Чаще уксуснокислым брожением поражаются вина. Продукты, после уксуснокислого брожения имеют запах уксусной кислоты, становятся мутными и даже ослизняются.
Уксуснокислое брожения положен в основу производства уксусной кислоты для бытового потребления.
Пропионовокислое брожения заключается в том, что сахар или молочная кислота, а также ее соли, превращаются в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекислого газа и воды
1) ЗС 6 НІ 2 О 6 = 4 СН 3 СН 2 СООН + 2СН 3 СООН + 2СО 2 + 2Н 2 О + енергія (1)
сахар пропионовая к-та уксусная к-та
2) ЗСНзСНОНСООН – 2СН 3 СН 2 СООН + СН 3 СООН + С0 2 + Н 2 0 + енергія (2)
Пропионовокислые бактерии близки молочнокислым бактериям и нередко размножаются в субстратах с ними. Оптимальная температура развития – 30-35 ° С, но достаточно хорошо растут и при температурах 15-20 ° С. Раскладывают также аминокислоты (дезаминують их), при этом образуются жирные кислоты. Пропионовокислые бактерии применяют для получения получения витамина 12 .
Пропионовокислое брожения вызывает порчу вин: в отрицательную сторону изменяют запах, вкус и цвет вина. Используется для формирования специфического острого вкуса в сычужных сырах.
Брожение целлюлозы – заключается в ее разрушении в анаэробных условиях с образованием масляной и уксусной кислот, углекислого газа, этилового спирта, водорода или метана. Целлюлоза (клетчатка) является одним из самых сложных полисахаридов, для которых характерен очень большая устойчивость. Но под влиянием фермента целлюлозы, выделяется соответствующими бактериями, клетчатка гидролизуется, распадаясь на более простые соединения типа целлобиоза, что под действием фермента целоллобиазы разлагается до глюкозы, которая уже подвергается сбраживанию. В зависимости от видов целюлозоруйнуючих бактерий брожения происходит по типу водородной брожения или по типу метанового брожения. При метанового брожения клетчатки образуются много газообразных продуктов, а среди кислот преобладает уксусная.
Целюлозоруйнивни бактерии широко распространены в природе. Оптимальная температура для развития 30-35 ° С. Они играют большую роль в разложении сточных и бытовых вод. Однако могут наносить значительный ущерб, разрушая бумагу, книги, хлопчатобумажные ткани, рыболовные сети, обмотку кабелей и другие материалы и товары из клетчатки. Каждый в своей жизни сталкивался со случаем, когда хорошая обувь расползалось по швам. Как следствие человек становится беднее, а общество при небрежном обращении с товаром также обеднеет.
Гниение . Под этим термином следует понимать процесс глубокого расщепления белковых веществ микроорганизмами.
Известно, что белки являются важнейшей составляющей большинства пищевых продуктов, а также промышленных материалов и товаров, а потому могут быть отличной средой для развития гнилостных микроорганизмов.
Способность разлагать в той или иной степени белковые вещества присуща многим видам микроорганизмов. Некоторые из них непосредственно разлагают белки, другие могут действовать только на продукты их гидролиза, простые молекулы – пептоны, полипептиды, аминокислоты и т.д..
Бактерии плесени и дрожжей используют белки для своего питания, а также как энергетический материал. В зависимости от этого одни микроорганизмы вызывают поверхностное расщепление белка, другие делают более глубокий его расписание с образованием различных химических соединений.
Гниение – это сложный многоступенчатый биохимический процесс, конечный результат которого зависит от группы белковых веществ, подвержены гниению, вида микроорганизмов и условий, в которых происходит сам процесс.
В связи с тем, что белки не могут непосредственно поступать в клетки микроорганизмов из-за их величины, они могут быть использованы микроорганизмами, способными выделять протеолитические ферменты во внешнюю среду.
Целевые и сопутствующие продукты из культуральной жидкости удаляют различными способами: путем фракционирования, осаждения, адсорбции. Выделенные фракции очищают, кристаллизуют или высушивают.
Созревание, как биотехнологический процесс, преимущественно являются составной частью технологии производства некоторых пищевых продуктов, то есть он является частью, стадией других технологических процессов. Такие стадии имеют место в технологиях изготовления вина, пива, кисломолочных продуктов. Они завершают технологический процесс и происходящие при хранении этих продуктов. Однако в некоторых производствах, таких как изготовление сыров, сырокопченых колбас, мясокопченостей, соленой, пряной рыбы, рыбных пресервов и т.д. процесс созревания является решающим этапом технологии, благодаря которому формируются основные функциональные и качественные характеристики продукта: вкус, запах, консистенция, цвет, структура и другие.
Сущность процесса созревания состоит в совокупном действии ферментов самого сырья или прилагаемых к ней и ферментов микрофлоры, которая участвует в созревании продукта. Так, при созревании вина под действием ферментов сырья в нем происходят сложные окислительно-восстановительные и гидролитические процессы. Параллельно с ними протекают автолитични процессы дрожжевых клеток. Продукты автолиза и метаболиты взаимодействуют с компонентами вина и вследствие этого формируются цвет, вкус, аромат, прозрачность и другие характеристики вина.
При производстве сыров стадия созревания обусловлено действием ферментов молока, сычужного фермента, молочнокислой и другой микрофлоры. Под их влиянием в сырной массе проходят процессы гидролиза белков, молочного жира, молочнокислое и пропионовокислое брожения. В зависимости от состава сырья, температурного режима и других производственных условиях эти процессы могут протекать по разным механизмам и образовывать различные конечные продукты. Именно этим объясняется такая большая структура сырной продукции и существенные различия в ее потребительских характеристиках.
Используя ферменты, можно целенаправленно изменять структуру белка в самых различных направлениях. Благодаря частичному гидролизу белка можно добиться повышения растворимости, емульгувальнои активности, стимулировать способность белка к пенообразованию, стабилизации пены и эмульсии. Благодаря специфичности ферментов, преобразования такого рода, преимущественно затрагивает только определенные участки или группы белковой молекулы. Весьма важно, что большинство ферментативных процессов проходит в водной среде и, как правило, при физиологических условиях. Однако не все ферментативные реакции белков имеют значение для пищевой технологии.
Особый интерес для модификации белков и переработки их в пищевые продукты имеют реакции расщепления и образования пептидных связей, катализируемых протеазами. Так, в последнее время стали использовать частичный гидролиз белков соединительной ткани мяса, тендеризацию мяса для повышения его качественных показателей.
Наиболее эффективный метод повышения растворимости белка – ферментативный гидролиз. Но определенно, что высокая степень гидролиза белка животного происхождения под действием таких ферментов, как пепсин, папаин, проназа, на фоне повышения его растворимости сопровождается усилением накопления пептидов гидрофобного характера.
Значительно эффективнее поддаются солюбилизации рыбьи белки. Исследованиями обнаружено, что под действием амилосубтилину, протосубтилину, «Кпохуте Р-11», бромелин при рН 6,5 … 7,0, температуре около ЗО ° С в течение 15 мин. белки рыбы увеличивают емульгувальну активность в 1,5 раза, а растворимость их возрастает на 20%.
Несмотря на сложность управления ферментативными процессами, они имеют определенную перспективу, поскольку не приводят к Вирата пищевой ценности, не ухудшают усвоение белков.
Особого эффекта достигается сочетание ферментативного процесса и химической модификации, например сукцинування.
Ферменты-гидролизаторы рыбьего белка, которые характеризуются высокой пенообразующего способностью, в результате сукцинування теряют характерный рыбный вкус, что позволяет их использовать в производстве кондитерской продукции, мороженого. Высокая растворимость позволяет их применять, изготавливая напитки.
Очень интересные перспективы дает заново открыта пластеинова реакция обратный процесс ферментативного расщепления, когда под действием протеолитических ферментов заново образуются пептидные связи. С помощью этой реакции воспроизвести из частичных гидролизаторив белков полипеп-тндни цепи с. Молекулярной лакомой. Около 30.0.0 Дальтон. . Японским ученым удалось применить эту реакцию для повышения биологической ценности и функциональных свойств белков.
Благодаря тому, что отдельные аминокислоты, в том числе и незаменимые, способны реагировать в форме эфиров, их можно целенаправленно внедрять в белки. Чем больше гидрофобность, то скорее аминокислота включается в состав белка или пептида.По скорости встраивания аминокислоты расположены в следующем порядке: аланин <тирозин <метионин <лейцин <фенилала-нин <триптофан.
(Скорость реакции можно повысить, продлевая алкильной цепью эфирного группы. Это очень важно для менее гидрофобных аминокислот, таких как лизин и глутаминовая кислота.
Встраивая триптофан, лизин и метионин в Зеин – белок кукурузы, который характеризуется низкой пищевой ценностью, удалось получить пла-стеин с хорошей биологической ценностью.
Биологическая ценность соевых белков низка из-за незначительное количество серосодержащих белков. Путем частичного гидролиза этого белка пепсином, смешивание с частичным гидролизатом кератина шерсти, богатым серосодержащие аминокислоты, и последующей пластеиновои реакции под воздействием на-гаразы (протеазы Васииия зиЬпИиз) получают пластеин с пищевой ценностью, близкой к казеина.
Очень интересны свойства пластеинив, полученные благодаря включению глутаминовой кислоты. Во-первых, глутамином кислоты, полученные из соевых белков, растворимые при любых значениях рН и устойчивы к термической коагуляции. Во-вторых, они получили определенный вкус термообработанного мяса, что характерно для глутаминат натрия.
Большие перспективы пластеинова реакция имеет для извлечения нежелательных аминокислот. К последним можно отнести также и фенилаланин, присутствие которого в пище вызывает тяжелые отклонения у больных фенилкето-Нури. Фрагмент ферментативный гидролиз пепсином, изъятие фенилаланинових пептидов гель-фильтрацией и следующий пластеиновий синтез в присутствии этиловых эфиров тирозина и триптофана под воздействием растительной протеазы папаина приводит к получению пластеинив, свободных от фенилаланина, но сбалансированных по остальным аминокислот.
С растительного сырья для промышленных целей чаще всего выделяют протеолитические ферменты – папаин с дынное дерево (папайи), фицин – из растения инжира, бромелаин – из ананаса. Все эти препараты существенно улучшают качество мяса, способствуя размягчению твердых частей. С проросшего зерна получают ферментные препараты для гидролиза крахмала.
Широко известные препараты амилолитичних, пектолитичних и протеолитических ферментов, глюкооксидазы, каталазы и другие, получаемые с помощью микроорганизмов.
Плесневые грибы, дрижджиподибни микроорганизмы и спороносные бактерии синтезируют амилолитични ферменты. Для получения амилолитичних ферментных препаратов чаще используют грибы рода Aspergillus видов: cryzae, awamori и др..
Пектолитични ферменты получают с помощью Penicillum glaucum, Penicillum expansum, Aspergillus и некоторых других.
Протеолитические ферменты способны производиться многими плесневыми грибами, актиномицетами и бактериями. Но наиболее часто используются как продуцентов Вас. subtilus и грибы разных видов рода Aspergillus.
Продуцентами глюкооксидазы и каталазы являются некоторые виды грибов рода Aspergillus и Penicillum. Амилолитични ферментные препараты применяют в хлебопекарной промышленности для улучшения качества и аромат хлеба. При этом время созревания теста снижается на 30%, а расход сахара на производство булочных изделий высших сортов уменьшается вдвое. В пивоваренной, спиртовой и крахмалопаточний промышленности амилолитични ферменты применяют для осахаривания крахмала.В пивоваренной промышленности применение ферментных препаратов позволяет сэкономить около 165 килограммов ячменя при производстве каждого декалитра пива. Применение пектолитичних ферментов, глюкооксидазы и каталазы, вызывают мацерацию клеточных стенок и гидролиз пектиновых веществ, позволяет повысить выход сока из слив, абрикосов, персиков и черной смородины на 25 – 30%.
Особое значение имеют ферментные препараты в медицине для лечения многих заболеваний. Так, при * лечении желудочных заболеваний используют ферментные препараты пепсина, трипсина и другие, получаемые из тканей животных.
Широко используют ферментные препараты в кожевенном и меховом производстве для снятия волос из шкур и размягчения кожевенного сырья. В текстильной промышленности с помощью ферментов делают розшлихтовку тканей, в результате чего значительно повышается производительность труда.
С помощью ферментов в больших количествах ведется промышленное выработки аминокислот и белковых препаратов, в первую очередь для животноводства.
Для получения микробиологических ферментных препаратов делают посевы чистых культур на стерильные среды определенного состава с определенной величиной рН и температурой. После выращивания микроорганизмов культуральная жидкость, содержащая растворимые вещества, отделяют от клеточного материала и нерастворимых составных частей среды. Для этого применяют центрифуги или фильтрации. Концентрирование неочищенных ферментных растворов производится выпариванием под вакуумом при низких температурах.
В лабораторной и промышленной практике широко используют жидкие ферментные препараты. Для выделения ферментов из культуральной жидкости применяют два способа – осаждение и адсорбция. Осаждение ведется при низкой температуре во избежание денатурации и инактивированных ферментов. Осаждение зачастую осуществляется органическими растворителями и неорганическими солями. Для высокой очистки осадки растворяются и обрабатываются методами хроматографии, электрофореза, диализа, кристаллизации и др..
Ферменты действуют при определенной температуре, рН среды; их активность зависит от наличия химических веществ – активаторов и ингибиторов. Важнейшим фактором, от которого зависит действие ферментов, является температура. Активность фермента (скорость катализуемои им реакции) растет с повышением температуры. Оптимальная температура, т.е. температура, при которой наблюдается максимум активности ферментов, для большинства из них 40-50 “С. При дальнейшем повышении температуры активность фермента снижается. При температуре 60-80 ° С белок, образующий фермент, денатурирует и фермент инактивируется (теряет свою активность). При денатурации белка, как известно, происходит развертывание полипептидной цепи с потерей им биологических свойств.
Тепловая денатурация ферментов имеет важное практическое значение: пастеризация сырья способствует разрушению ферментов и предохраняет пищевые продукты от ферментативного порчи.
Доказано, что некоторые ферменты обладают способностью восстанавливать свою активность после тепловой денатурации.Происходит самопроизвольное повторное свертывание полипептидной цепи белка с восстановлением нативной (первоначальной) формы, обладающий ферментативной активностью. Это явление называется реактивацией фермента.
Важным фактором, влияющим на активность ферментов, является рН среды. Ферменты различаются по оптимальным для их действия рН. Так, оптимум действия пепсина находится при рН 1,5-2, сычужного фермента – при рН 6,2, щелочной фосфатазы – при рН 9,5. Как правило, при слишком кислой или щелочной реакции среды происходит денатурация фермента и он теряет свою активность.
По химической природе ферменты представляют собой белковые вещества. Они могут быть простыми и сложными белками.Небелковая часть сложных белков называется коферментом. К-ферментами могут быть металлы, витамины и другие соединения. Большинство гидролитических ферментов являются простыми белками, окислительно-восстановительные и некоторые другие ферменты – сложными. Ферменты называют по той веществе, на которое они действуют, добавляя к корню названия окончания «аза»: липаза, лактаза пептидаза и др.. Кроме этих рабочих названий имеются более сложные систематические названия, отражающие механизм действия фермента. В настоящее время известно более 1000 различных ферментов. Ферменты подразделяют на шесть классов: оксидоредуктазы (ферменты, катализуючы окислительно-восстановительные реакции) трансферазы (ферменты, переносящие группы) гидролазы (гидролитические ферменты) лиазы (ферменты отщепления групп) изомеразы (ферменты изомеризации) синтетазы.
Контрольные вопросы
- Что собой представляет процесс дыхания продовольственного сырья, какие факторы влияют на интенсивность дыхания?
- Охарактеризуйте процесс ферментативного побурение плодоовощного сырья.
- Какими методами обработки можно предотвратить возникновение побурение?
- Перечислите и охарактеризуйте основные ферменты и ферментные препараты, используемые в пищевых производствах.
- Назовите факторы, влияющие на ход гидролитических процессов.Что представляют собой биотехнологические процессы и их преимущества?
- Охарактеризуйте процесс брожения и его разновидности.
- Какие этапы и стадии течения биотехнологичиого процесса?
- Которые и тенденции развития современных биотехпологий?
- Дайте классификацию бродильных процессов в пищевых производствах.
- Сфера использования бродильных процессов в пищевых производствах.
- Дайте характеристику спиртового брожения.
- Дайте характеристику молочнокислого брожения. Охарактеризуйте уксуснокислое и лимоннокислое брожения.
- Что используют в качестве сырья в бродильных цехах?
Читати далі