Роль гидролаз при производстве и хранении пищевых продуктов

К числу важнейших гидролаз относится липаза, гидролизующая распад жира с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Действие липазы имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих большое количество жира, например овсяной. В целом зерне липаза и липоксигеназа неактивны. В продуктах переработки зерна их активность увеличивается, особенно если зерно или муку хранят при повышенной температуре и высокой относительной влажности воздуха. При этом вначале возрастает кислотность продукта. При длительном хранении происходит прогоркание продукта. Этот процесс является следствием действия двух ферментов — липазы и липоксигеназы. Образующиеся за счет действия липазы свободные жирные кислоты быстрее окисляются липоксигеназой, чем связанные, т. е. липаза подготавливает субстрат для действия липоксигеназы.

Для предотвращения прогоркания муки и крупы необходимо инактивировать оба фермента. Для этого зерно перед помолом обрабатывают паром.

Наибольшее значение из амилолитических ферментов имеют α-, ρ-амилазы и глюкоамилаза. α-Амилаза расщепляет крахмал с образованием низкомолекулярных декстринов и незначительного количества мальтозы. При действии ρ-амилазы на крахмал в основном образуются мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. Полное расщепление крахмала до мальтозы возможно при одновременном действии α- и β-амилаз. Глюкоамилаза гидролизует крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов.

Семена растений различаются по содержанию в них α- и β-амилаз. В непроросших зернах пшеницы и ячменя содержится только ρ-амилаза; α-амилаза образуется при прорастании. В зерне ржи присутствуют оба фермента — α- и β-амилазы; при прорастании количество и активность α-амилазы резко возрастают.

α- и β-Амилазы различаются по своей термолабильности и температурному оптимуму действия. α-Амилаза более устойчива к действию высоких температур, ее температурный оптимум лежит выше температурного оптимума ρ-амилазы. Поэтому зерновая α-амилаза может действовать в процессе выпечки хлеба.

Эти два фермента существенно отличаются по своему отношению к pH среды. α-Амилаза более чувствительна к подкислению, чем β-амилаза. Если подкислить тесто, то α-амилаза быстро теряет свою активность. Это свойство имеет большое значение при переработке муки из проросшего зерна, в которой присутствует α-амилаза и ухудшает ее хлебопекарные свойства.

Амилазы имеют большое значение при оценке хлебопекарных свойств пшеничной муки, а именно при оценке ее газо- и сахарообразующей способности. В пшеничном тесте под действием зимазного комплекса дрожжей происходит спиртовое брожение, интенсивность которого зависит прежде всего от количества сахара, присутствующего в муке и тесте. Собственных сахаров в муке немного, и они расходуются на самых первых этапах брожения. В дальнейшем в спиртовом брожении участвует мальтоза, которая образуется в тесте за счет расщепления крахмала β-амилазой.

Диоксид углерода, возникающий при брожении, поднимает и разрыхляет тесто, определяя в итоге пористость хлеба. В процессе брожения теста сахара используются не полностью, часть их участвует на стадии выпечки в реакции меланоидинообразования, которая определяет в итоге цвет, вкус и аромат хлеба.

Если пшеничная мука имеет пониженную сахарообразующую способность, то для получения из нее хлеба хорошего качества необходимо активизировать гидролиз крахмала. Для этого увеличивают атакуемость крахмала чаще всего путем заваривания муки и клейстеризации крахмала или усиливают глубину его гидролиза, добавляя α-амилазу, которая способствует образованию декстринов, являющихся субстратом для последующего действия в-амилазы.

Источниками а-амилазы являются солод (проросшее зерно) и ферментные препараты. α-Амилаза плесневых грибов гидролизует клейстеризованный крахмал с образованием мальтозы и декстринов и способна превращать в мальтозу до 80-82% крахмала. Бактериальные амилазы вызывают расщепление крахмала с образованием в основном декстринов и небольшого количества мальтозы. Кроме того, бактериальная а-амилаза по сравнению с α-амилазой, полученной из плесневых грибов, отличается большей термоустойчивостью. В хлебопечении чаще используют ФП грибного происхождения, в которых α-амилаза быстро инактивируется при выпечке хлеба, что предотвращает нежелательное накопление избытка декстринов.

Реакция гидролиза крахмала ферментами является основной в ряде пищевых технологий. При получении жидких дрожжей в состав питательной среды для размножения дрожжевых клеток должны входить сахара. Они образуются за счет добавления в заваренную муку светлого солода, при этом клейстеризованный крахмал быстро гидролизуется амилазами солода до мальтозы.

В спиртовой промышленности источником сахара, который сбраживается в дальнейшем дрожжами до спирта и диоксида углерода, обычно является крахмал зерна или картофеля. Сырье предварительно тонко измельчают, в результате улучшаются условия гидролиза его составных частей, в том числе частично и целлюлозы, гемицеллюлоз и пентозанов клеточных стенок. При разваривании крахмалсодержащего сырья крахмал клейстеризуется и переходит в коллоидный раствор. Затем проводят его возможно более полное осахаривание солодом или ферментными препаратами плесневых грибов, которые содержат глюкоамилазу или смесь этого фермента и α-амилазы. Замена солода ферментными препаратами позволяет экономить солод, увеличивает выход спирта, снижает его себестоимость и значительно интенсифицирует процесс осахаривания.

В пивоваренной промышленности основным сырьем является богатый ферментами ячменный солод. После дробления его смешивают с водой (эта операция называется затиранием, а смесь солода с водой — затором). При затирании в результате ферментативного гидролиза не только крахмала, но и гемицеллюлоз, гумми-веществ, белков часть сухих веществ затора переходит в раствор. Особенность производства состоит в том, что осахаривание крахмала не доводят до конца, так как в пиве должны остаться неосахаренные декстрины, придающие пиву свойственные ему вкус и вязкость и способствующие пенообразованию. При добавлении к солоду зерна, не подвергавшегося проращиванию, для разжижения и осахаривания такого затора из несоложеной муки необходимо применять амилолитические ферментные препараты грибного происхождения. Такой способ производства пива дает значительную экономию за счет сокращения расхода солода без ухудшения качества готового продукта.

Глюкоамилаза, получаемая из плесневых грибов, используется при производстве кристаллической глюкозы и глюкозной патоки и позволяет обойтись без кислотного гидролиза крахмала. При этом значительно упрощается технологический процесс, требующий дорогого оборудования, — не следует повышать температуру и давление, увеличивается выход глюкозы (до 97%) и повышается ее чистота.

Протеолитические ферменты (протеиназы и пептидазы) катализируют расщепление пептидной связи белков и полипептидов. Под действием этих ферментов белок превращается в пептоны, полипептиды, конечным продуктом реакции являются аминокислоты.

Гидролиз белковых веществ определяет водопоглотительную, газо- и формоудерживающую способность пшеничной муки, т. е. силу муки. Чем глубже идет реакция, тем слабее мука. Для производства большинства мучных кондитерских изделий необходима слабая мука, позволяющая получать пластичное тесто и тестовые заготовки неискаженной формы. В пшеничной муке нормального качества активность протеиназ невелика, поэтому целесообразно усилить расщепление белков введением протеолитических ферментных препаратов. При этом снижается вязкость теста, изменяются его реологические свойства в нужную сторону, интенсифицируются замес и отлежка теста, сокращается количество прокаток и улучшается качество изделий.

В хлебопечении используется пшеничная мука средняя по силе, в ней должен в определенной степени протекать протеолиз, что позволяет получать хлеб хорошего качества. Однако слишком интенсивный протеолиз отрицательно сказывается на качестве готового хлеба. Свойствами типично слабой муки обладает мука, полученная из зерна, пораженного клопом-черепашкой. Она отличается высокой активностью протеолитических ферментов, внесенных в зерно клопом-черепашкой, тесто быстро разжижается, хлеб получается расплывшимся, с пониженными объемом и пористостью. Для улучшения качества хлеба из такой муки необходимо затормозить в ней протеолиз, например, путем добавления в тесто улучшителей окислительного действия — броматов или йодатов калия, перекисных соединений. Свежесмолотая мука также является слабой, поэтому она должна пройти процесс созревания. Образующиеся при этом за счет гидролиза жира свободные жирные кислоты, замедляя протеолиз, оказывают укрепляющее действие на свойства клейковины и теста.

Регулируя протеолиз в пшеничном тесте путем изменения длительности его брожения и расстойки, температуры, добавления улучшителей, можно получить хлеб с заданными свойствами из муки различного качества.

Применение протеолитических ферментов позволяет гидролизовать белки, пептоны и полипептиды сырья до аминокислот, которые являются ценным азотистым питанием для дрожжей, что улучшает технологический процесс, особенно в пивоварении, виноделии и спиртовой промышленности.

В пивоварении образующиеся при расщеплении пептоны и полипептиды обусловливают ценообразование и обеспечивают вкус пива.

Белковые вещества могут быть причиной помутнения пива и вина в процессе их хранения, если эти денатурированные соединения не выпали в осадок в процессе производства. Наиболее простой способ стабилизации пива и вина — гидролиз белков протеолитическими ферментными препаратами. Например, для борьбы с так называемой холодной мутью в пиве протеолитические ферменты вносят на стадии его дображивания с таким расчетом, чтобы растворить белки мути, но не вызвать глубокого расщепления белков, с тем чтобы не изменить стойкости пены и вкуса пива.

Пектолитические ферменты гидролизуют пектиновые вещества, представляющие собой полисахариды, состоящие из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных α-1,4-связью, и меток-сильных групп (ОСН3), присоединенных к шестому углеродному атому эфирной связью. Предельная степень этерификации 16,2 %.

К пектиновым веществам относят протопектин, пектин, пектиновую и пектовую кислоты. Все пектиновые вещества, кроме протопектина, растворимы в воде. Строение протопектина точно не установлено. В нем очень длинная цепь метоксилированной полигалактуроновой кислоты, связанная с другими веществами: целлюлозой, остатками фосфорной кислоты, сахарами и др.

Пектин — соединение, образующееся из протопектина за счет действия пектолитических ферментов, представляет метоксилированную полигалактуроновую кислоту. Степень этерификации 14,9-15,2%. При ферментативном расщеплении от пектина отделяется часть метоксильных групп с образованием пектиновой кислоты и метанола. Пектовая кислота полностью лишена метоксильных групп. Пектин обладает желирующей способностью, которая тем выше, чем длиннее цепочка полигалактуроновой кислоты и чем больше степень ее метоксилирования.

Пектолитические ферменты включают в себя ряд ферментов. Превращение протопектина в пектин, как предполагают, осуществляется под действием протопектиназы; пектинэстераза (ПЭ) гидролизует эфирные связи пектина и пектиновой кислоты с образованием частично или полностью деметоксилированной полигалактуроновой кислоты и метилового спирта. Полигалактуроназа (ПГ) действует на пектин, катализируя расщепление α-1,4-глюкозидных связей между остатками галактуроновой кислоты, не содержащими метоксильных групп. Действие ПЭ и ПГ показано на схеме

Процесс гидролиза пектиновых веществ имеет большое значение для переработки плодов, ягод и овощей. Пектиновые вещества, являясь гидрофильными коллоидами, повышают водоудерживающую способность растительной ткани и тем самым препятствуют полному отделению сока, задерживают выделение взвешенных частиц в соке, сусле, вине, что приводит к образованию устойчивой неоседающей мути, придает соку высокую вязкость и затрудняет его осветление и фильтрование. Обработка плодов и ягод пектолитическими ферментами ведет к значительному расщеплению пектиновых веществ, прежде всего пектина, что увеличивает и ускоряет сокоотдачу, снижает вязкость сока, облегчает процесс его фильтрования и осветления.

Поскольку активность пектолитических ферментов плодов и ягод, особенно у таких плодов, как слива, алыча, абрикос, персик и др., не очень высока, для ускорения гидролиза пектиновых веществ и повышения сокоотделения на практике используют пектолитические ферментные препараты, чаще всего грибного происхождения. Они применяются при производстве овощных пюре, виноградных вин и различного вида консервированных изделий из плодов, что позволяет на 5-25% повысить выход сока с единицы перерабатываемого сырья и получить высокий экономический эффект.

Пектолитические ферменты применяют также в качестве дополнительного компонента при кормлении сельскохозяйственных животных и птиц, особенно если в кормах присутствует свекловичный жом, что резко повышает их усвояемость.

β-Фруктофуранозидаза — фермент, расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу. Он вырабатывается плесневыми грибами, бактериями и дрожжами, из которых его обычно получают в виде очищенных ферментных препаратов. β-Фруктофуранозидаза, содержащаяся в виноградном сусле, играет важную роль в начальный период образования вина, так как способствует инверсии сахарозы сразу же после раздавливания винограда. Препараты этого фермента применяют в кондитерской промышленности при производстве помадки и других кондитерских изделий, включающих помадные массы. Под действием фермента в готовых изделиях протекает медленная инверсия сахарозы, поэтому они дольше сохраняют оптимальную консистенцию и медленнее высыхают.

β-Фруктофуранозидазу можно использовать при получении сгущенного молока, искусственного меда, плодово-ягодных соков, экстрактов и варенья, так как образующийся инвертный сахар является антикристаллизатором и предохраняет изделия от засахаривания. Препараты этого фермента используют при приготовлении инвертных сиропов с концентрацией сахара до 72-73% в ликеро-водочной и особенно в безалкогольной промышленности. Такие сиропы не кристаллизуются, что облегчает проведение технологического процесса.

β-Галактозидаза катализирует расщепление лактозы на глюкозу и галактозу. Она содержится в лактозных дрожжах, вызывающих брожение молочных продуктов, в бактериях и плесневых дрожжах. В последние годы для обогащения хлеба в тесто добавляют молоко, пахту и другие продукты переработки молока, содержащие большое количество лактозы, которая не сбраживается прессованными дрожжами. Добавление в тесто препаратов β-галактозидазы ведет к усилению процессов брожения теста за счет образования глюкозы и улучшению качества хлеба, его вкуса, цвета и аромата.

Обработка молока и молочных продуктов препаратами β-галактозидазы позволяет обеспечить население, обладающее лактазной недостаточностью, молочными продуктами, почти не содержащими лактозу. Использование этого фермента при приготовлении кисломолочных продуктов способствует более быстрому развитию молочнокислых микроорганизмов, что позволяет ускорить технологический процесс. Гидролиз около 20-30% лактозы молока при приготовлении мороженого предотвращает его кристаллизацию и уменьшает на 1-2% добавку сахарозы.