Ферменты в пищевых технологиях

Ферменты (энзимы) — биологические катализаторы белковой природы, способные во много раз ускорять химические реакции, протекающие в животном и растительном мире.

Человечество использует ферменты для приготовления продуктов питания с незапамятных времен. Эмпирическим путем люди выяснили, что существуют природные субстраты, которые при внесении их в тот или иной вид сырья вызывают в нем желательные изменения.

Такими субстратами были соки растений и ткани животных, содержащие ферменты, а также виноградный сок, молоко, тесто, самопроизвольно сбродившие в результате попадания в них микроорганизмов. Например, для получения сыра использовали соки растений, содержащие фермент фицин, или ткани желудка птиц и животных, содержащие фермент ренин. Для тендеризации мяса (размягчения мышечной ткани) использовали сок папайи, содержащий фермент папаин.

Изучать ферменты начали в XVIII в.. когда были открыты пищеварительные ферменты, выделены ферменты из биологических объектов: пероксидаза из хрена, и α-амилаза из зерна и др. В ХIX в. получены первые чистые формы ферментов и предложен термин «энзим» (от греч, enzymos - связанный с брожением теста). Возникновение энзимологии как самостоятельной научной дисциплины стало возможным с развитием химии, биологии и медицины.

При изучении механизма действия ферментов было высказано предположение, что ферменты образуют комплексы с субстратами. Для объяснения пространственного взаимодействия между ферментом и субстратом Э. Фишер предложил модель «ключ к замку».

Ферменты не являются чужеродными для организма человека веществами. В пищевых технологиях используют в основном ферменты, присутствующие в пищевом сырье, которые поступают в организм человека при потреблении свежих фруктов и овощей, орехов, молока, сброженных и консервированных продуктов. В пищевых продуктах ферментов содержится мало – миллиграммы на килограмм продукта. При кулинарной и технологической обработке пищевых продуктов ферменты, как правило, инактивируются. Продолжается поиск новых возможностей использования ферментов в пищевой промышленности.

Основными направлениями исследования являются:

• модификация свойств индивидуальных ферментов с целью повышения их активности и удешевления целевых продуктов;

•скрининг новых микроорганизмов-продуцентов ферментов;

• получение новых рекомбинантных ферментов с заданными свойствами;

• применение ферментативных реакций для получения ценных пищевых ингредиентов и биологически активных веществ;

• разработка пищевых нанотехнологий с использованием ферментов.

Современные методы модификации ферментов позволяют увеличивать стойкость ферментов к действию различных химических реагентов и ингибиторов, рН, температурному воздействию; изменять рН оптимума ферментов, их субстратную специфичность и связывающие свойства; регулировать предпочтения определенных металлов-кофакторов и каталитические свойства ферментов.

Химическая модификация – наиболее известный вид модификации ферментов.

Ее методы должны отвечать следующим требованиям:

• используемые химические реагенты должны быть безвредными (особенно в случаях дальнейшего использования ферментов в пищевых технологиях);

• условия модификации не должны быть жесткими, приводящими к ухудшению свойств ферментов; модифицированные ферменты должны отделяться от реакционной среды относительно простыми и недорогими способами;

• применение модифицированных ферментов должно быть экономически выгодным.

Таблица 1.

К активно развивающимся областям энзимологии относится разработка биологических методов модификации ферментов. Особенно многообещающим является направление, получившее название «белковая инженерия». Методы белковой инженерии, основанные на знании зависимости между аминокислотной последовательностью, трехмерной структурой и каталитической активностью ферментов, позволяют успешно модифицировать ферменты для улучшения их технологических свойств. Широко используется способ замены определенных аминокислот в структурах молекул ферментов.