Общая характеристика кислот пищевых объектов
Основные источники пищевых кислот – растительное сырье и продукты его переработки. Органические пищевые кислоты содержатся в большинстве видов растительных пищевых объектов – ягодах, фруктах, овощах, в том числе в корнеплодах, лиственной зелени. Наряду с сахарами и ароматическими соединениями они формируют вкус и аромат плодов и, следовательно, продуктов их переработки.
Общее представление о разнообразии пищевых кислот в составе растительных объектов иллюстрирует табл. 7.2.
Таблица 7.2. Некоторые пищевые кислоты фруктов, ягод и овощей
| Растительный объект | Основные кислоты |
| Фрукты, ягоды | |
| Абрикосы | Яблочная, лимонная |
| Авокадо | Винная |
| Айва | Яблочная (без лимонной) |
| Ананасы | Лимонная, яблочная |
| Апельсины | Лимонная, яблочная, щавелевая |
| Апельсиновая кожура (цедра) | Яблочная, лимонная, щавелевая |
| Бананы | Яблочная, лимонная, винная, следы уксусной и муравьиной |
| Виноград | Яблочная и винная (3:2), лимонная, щавелевая |
| Вишня | Яблочная, лимонная, винная, янтарная, хинная, шикимовая, глицериновая, гликолевая |
| Грейпфрут | Лимонная, винная, яблочная, щавелевая |
| Груши | Яблочная, лимонная, винная, щавелевая |
| Ежевика | Изолимонная, яблочная, молочно–изолимонная, шикимовая, хинная, следы лимонной и щавелевой |
| Клубника (земляника) | Лимонная, яблочная, шикимовая, янтарная, глицериновая, гликолевая, аспарагиновая |
Окончание табл. 7.2
| Растительный объект | Основные кислоты |
| Клюква | Лимонная, яблочная, бензойная |
| Крыжовник | Лимонная, яблочная, шикимовая, хинная |
| Лаймы | Лимонная, яблочная, винная, щавелевая |
| Лимоны | Лимонная, яблочная, винная, щавелевая (без изолимонной) |
| Персики | Яблочная, лимонная |
| Сливы | Яблочная, винная, щавелевая |
| Смородина | Лимонная, винная, яблочная, янтарная |
| Финики | Лимонная, яблочная, уксусная |
| Черника | Лимонная, яблочная, глицериновая, лимоннояблочная, гликолевая, янтарная, глюкуроновая, галактуроновая, хинная, глутаминовая, аспарагиновая |
| Яблоки | Яблочная, хинная, α–кетоглутаровая, щавелевоуксусная, лимонная, пировиноградная, фумаровая, молочная, янтарная |
| Овощи | |
| Бобы | Лимонная, яблочная, небольшие количества янтарной и фумаровой |
| Брокколи | Яблочная и лимонная (3:2), щавелевая, янтарная |
| Грибы | Кетостеариновая, фумаровая, аллантоиновая |
| Горох | Яблочная |
| Картофель | Яблочная, лимонная, щавелевая, фосфорная, пироглугаминовая |
| Морковь | Яблочная, лимонная, изолимонная, янтарная, фумаровая |
| Помидоры | Лимонная, яблочная, щавелевая, янтарная, гликолевая, винная, фосфорная, соляная, серная, фумаровая, галактуроновая |
| Ревень | Яблочная, лимонная, щавелевая |
Наиболее типичными в составе различных плодов и ягод являются лимонная и яблочная кислоты. Из числа других кислот часто обнаруживаются хинная, янтарная и щавелевая. К распространенным относятся также шикимовая, гликолевая, фумаровая, глицериновая и винная кислоты.
Концентрации отдельных органических кислот в различных плодах и ягодах неодинаковы.
Цитрусовые плоды содержат преимущественно лимонную кислоту и небольшие количества яблочной. Содержание последней в апельсинах составляет 10–25%, в мандаринах – до 20%, в грейпфрутах и лимонах –
до 5% по отношению к общей кислотности. В отличие от плодов, в кожуре апельсинов содержится значительное (примерно 0,1 %) количество щавелевой кислоты.
Лимонная кислота оказывается основной также в кислотном спектре ананасов, где ее содержание достигает 85%. На долю яблочной кислоты в этих плодах приходится около 10%.
Доминирующей кислотой в составе семечковых и косточковых плодов является яблочная, содержание которой в их кислотном спектре колеблется от 50 до 90%.
В кислых сортах яблок яблочная кислота составляет свыше 90% общей кислотности, в черешне и вишне ее концентрация достигает 85–90%, в сливах (в зависимости от сорта) – от 35 до 90%. В числе других кислот в этих плодах – лимонная и хинная.
Более 90% кислотности приходится на яблочную, лимонную и хинную кислоты в таких плодах как персики и абрикосы, причем соотношение яблочной и лимонной кислот может колебаться в широком диапазоне, что в некоторых случаях связывают с изменением содержания этих кислот в плодах в процессе созревания. Установлено, например, что при созревании персиков количество яблочной кислоты в них значительно возрастает, а лимонной уменьшается.
В отличие от других видов плодов, в винограде основной является винная кислота, составляющая 50–65% общей кислотности. Остаток приходится на яблочную (25–30%) и лимонную (до 10%) кислоты. В процессе созревания винограда содержание яблочной кислоты снижается интенсивнее, чем винной.
В большинстве видов ягод, за исключением винограда, крыжовника, черники и ежевики, преобладает лимонная кислота. Например, в землянике на ее долю приходится 70–90%, в смородине – 85–90%. Содержание яблочной кислоты в этих ягодах – 10–15%. В ежевике 65–85% составляет изолимонная кислота, а в составе крыжовника – 45% яблочной и лимонной и 5–10% шикимовой.
Некоторое количество кислот в плодах и ягодах может находиться в виде солей. Их содержание, например, в лимонах, составляет до 3%, а в отдельных видах груш – 20–30%.
В отличие от большинства органических кислот в составе плодов и ягод, молочная кислота образуется, очевидно, только микробиологическим путем.
Кислотный спектр овощей представлен, преимущественно, теми же органическими кислотами, соотношение которых колеблется в значительных пределах. Наряду с уже известными, в составе овощей обнаруживаются янтарная, фумаровая, пироглутаминовая и некоторые другие кислоты различного строения.
Отличительной особенностью томатов является присутствие в них неорганических кислот – фосфорной, серной и соляной.
В составе молока и молочных продуктов основной органической кислотой является молочная кислота, образование которой связано с биохимическим превращением молочного сахара – лактозы (формула лактозы приведена на с. 125) под действием молочнокислых бактерий, происходящим в соответствии с уравнением реакции:
C12H22 O11, + H2O → 4CH3 – CH(OH)–COOH
При участии в этом процессе гомоферментативных молочнокислых бактерий молочная кислота является практически единственным продуктом реакции. В случае гетероферментативных ароматообразующих молочнокислых бактерий, наряду с молочной появляются уксусная и пропионовая кислоты, а также другие продукты брожения – этанол, диацетил, этилуксусный эфир.
265 :: 266 :: 267 :: 268 :: 269 :: Содержание
270 :: 271 :: Содержание
7.3. ПИЩЕВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ
НА КАЧЕСТВО ПРОДУКТОВ
Пищевые кислоты в составе продовольственного сырья и продуктов выполняют различные функции, связанные с качеством пищевых объектов.
В составе комплекса вкусоароматических веществ они участвуют в формировании вкуса и аромата, принадлежащих к числу основных показателей качества пищевого продукта. Именно вкус, наряду с запахом и внешним видом, по сей день оказывает более существенное влияние на выбор потребителем того или иного продукта по сравнению с такими показателями, как состав и пищевая ценность. Изменения вкуса и аромата часто оказываются признаками начинающейся порчи пищевого продукта или наличия в его составе посторонних веществ.
Главное вкусовое ощущение, вызываемое присутствием кислот в составе продукта, - кислый вкус, который в общем случае пропорционален концентрации ионов H+ (с учетом различий в активности веществ, вызывающих одинаковое вкусовое восприятие). Например, пороговая концентрация (минимальная концентрация вкусового вещества, воспринимаемая органами чувств), позволяющая ощутить кислый вкус, составляет для лимонной кислоты 0,017%, для уксусной - 0,03%.
В случае органических кислот на восприятие кислого вкуса оказывает влияние и анион молекулы. В зависимости от природы последнего могут возникать комбинированные вкусовые ощущения, например, лимонная кислота имеет кисло-сладкий вкус, а пикриновая - кисло-горький. Изменение вкусовых ощущений происходит и в присутствии солей органических кислот. Так, соли аммония придают продукту соленый вкус.
Естественно, что наличие в составе продукта нескольких органических кислот в сочетании с вкусовыми органическими веществами других классов обусловливают формирование оригинальных вкусовых ощущений, часто присущих исключительно одному, конкретному виду пищевых продуктов.
Участие органических кислот в образовании аромата в различных продуктах неодинаково.
По данным табл. 9.17 (стр. 426) можно проследить за тем, что доля органических кислот и их лактонов в комплексе ароматообразующих веществ,
например земляники, составляет 14%, в помидорах - порядка 11%, в цитрусовых и пиве - порядка 16%, в хлебе - более 18%, тогда как в формировании аромата кофе на кислоты приходится менее 6%.
В состав ароматообразующего комплекса кисломолочных продуктов входят молочная, лимонная, уксусная, пропионовая и муравьиная кислоты.
Качество пищевого продукта представляет собой интегральную величину, включающую, помимо органолептических свойств (вкуса, цвета, аромата), показатели, характеризующие его коллоидную, химическую и микробиологическую стабильность.
Формирование качества продукта осуществляется на всех этапах технологического процесса его получения. При этом многие технологические показатели, обеспечивающие создание высококачественного продукта, зависят от активной кислотности (рН) пищевой системы.
В общем случае величина рН оказывает влияние на следующие технологические параметры:
- образование компонентов вкуса и аромата, характерных для конкретного вида продукта;
- коллоидную стабильность полидисперсной пищевой системы (например, коллоидное состояние белков молока или комплекса белково-дубильных соединений в пиве);
- термическую стабильность пищевой системы (например, термоустойчивость белковых веществ молочных продуктов, зависящую от состояния равновесия между ионизированным и коллоидно распределенным фосфатом кальция);
- биологическую стойкость (например, пива и соков);
- активность ферментов;
- условия роста полезной микрофлоры и ее влияние на процессы созревания (например, пива или сыров).
270 :: 271 :: Содержание
271 :: 272 :: 273 :: 274 :: Содержание
7.4. РЕГУЛЯТОРЫ КИСЛОТНОСТИ ПИЩЕВЫХ
СИСТЕМ
Наличие пищевых кислот в продукте может являться следствием преднамеренного введения кислоты в пищевую систему в ходе технологического процесса для регулирования ее рН.
В этом случае пищевые кислоты используются в качестве технологических пищевых добавок.
Обобщенно можно выделить три основные цели добавления кислот в пищевую систему:
- придание определенных органолептических свойств (вкуса, цвета, аромата), характерных для конкретного продукта;
- влияние на коллоидные свойства, обусловливающие формирование консистенции, присущей конкретному продукту;
- повышение стабильности, обеспечивающей сохранение качества продукта в течение определенного времени.
В табл. 7.4 были приведены свойства важнейших пищевых кислот, применяемых для регулирования рН в пищевых системах и обеспечивающих ему физическую стабильность. К последним относятся: влияние на устойчивость дисперсных систем (эмульсий и суспензий), изменение вязкости в присутствии загустителя, формирование гелевой структуры в присутствии гелеобразователя, влияние на микрофлору, обеспечивающее биологическую стойкость продукта.
Уксусная кислота (ледяная) Е460 является наиболее известной пищевой кислотой и выпускается в виде эссенции, содержащей 70-80% собственно кислоты. В быту используют разбавленную водой уксусную эссенцию, получившую название столовый уксус. Использование уксуса для консервирования пищевых продуктов - один из наиболее старых способов консервирования. В зависимости от сырья, из которого получают уксусную кислоту, различают винный, фруктовый, яблочный, спиртовой уксус и синтетическую уксусную кислоту. Уксусную кислоту получают путем уксуснокислого брожения. Соли и эфиры этой кислоты имеют название ацетаты. В качестве пищевых добавок используются ацетаты калия и натрия(Е461 и Е462).
Наряду с уксусной кислотой и ацетатами, применение находят диа-цетаты натрия и калия. Эти вещества состоят из уксусной кислоты и ацетатов в молярном соотношении 1:1. Уксусная кислота - бесцветная жидкость, смешивающаяся с водой во всех отношениях. Диацетат натрия - белый кристаллический порошок, растворимый в воде, с сильным запахом уксусной кислоты.
Уксусная кислота не имеет законодательных ограничений; ее действие основано, главным образом, на снижении рН консервируемого продукта, проявляется при содержании выше 0,5% и направлено, главным образом, против бактерий. Основная область использования - овощные консервы и маринованные продукты. Применяется в майонезах, соусах, при мариновании рыбной продукции и овощей, ягод и фруктов. Уксусная кислота широко используется также как вкусовая добавка.
Молочная кислота выпускается в двух формах, отличающихся концентрацией: 40%-й раствор и концентрат, содержащий не менее 70% кислоты. Получают молочнокислым брожением Сахаров. Ее соли и эфиры называются лактатами. В виде пищевой добавки Е270 используется в производстве безалкогольных напитков, карамельных масс, кисломолочных продуктов. Молочная кислота имеет ограничения к применению в продуктах детского питания.
Лимонная кислота-продукт лимоннокислого брожения Сахаров. Имеет наиболее мягкий вкус по сравнению с другими пищевыми кислотами и не оказывает раздражающего действия на слизистые оболочки пищеварительного тракта. Соли и эфиры лимонной кислоты - цитраты. Применяется в кондитерской промышленности, при производстве безалкогольных напитков и некоторых видов рыбных консервов (пищевая добавка Е 33О).
Яблочная кислота обладает менее кислым вкусом, чем лимонная и винная. Для промышленного использования эту кислоту получают синтетическим путем из малеиновой кислоты, в связи с чем критерии чистоты включают ограничения по содержанию в ней примесей токсичной малеиновой кислоты. Соли и эфиры яблочной кислоты называются малатами. Яблочная кислота обладает химическими свойствами окси-кислот. При нагревании до 10O0C превращается в ангидрид. Применяется в кондитерском производстве и при получении безалкогольных напитков (пищевая добавка Е296).
Винная кислота является продуктом переработки отходов виноделия (винных дрожжей и винного камня). Не обладает каким-либо существенным раздражающим действием на слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта и не подвергается обменным превращениям в организме человека. Основная часть (около 80%) разрушается в кишечнике под действием бактерий. Соли и эфиры винной кислоты называются тартрата-ми. Применяется в кондитерских изделиях и в безалкогольных напитках (пищевая добавка Е334).
Янтарная кислота представляет собой побочный продукт производства адипиновой кислоты. Известен также способ ее выделения из отходов янтаря. Обладает химическими свойствами, характерными для ди-карбоновых кислот, образует соли и эфиры, которые получили название сукцинаты. При 2350C янтарная кислота отщепляет воду, превращаясь в янтарный ангидрид. Используется в пищевой промышленности для регулирования рН пищевых систем (пищевая добавка Е363).
Янтарный ангидрид является продуктом высокотемпературной дегидратации янтарной кислоты. Получают также каталитическим гидрированием малеинового ангидрида. Плохо растворим в воде, где очень медленно гидролизуется в янтарную кислоту.
Адипиновая кислота получается в промышленности, главным образом, двухстадийным окислением циклогексана. Обладает всеми химическими свойствами, характерными для карбоновых кислот, в частности, образует соли, большинство из которых растворимо в воде. Легко этерифицируется в моно- и диэфиры. Соли и эфиры адипиновой кислоты получили название адипинаты. Является пищевой добавкой (Е355), обеспечивающей кислый вкус продуктов, в частности, безалкогольных напитков.
Фумаровая кислота содержится во многих растениях и грибах, образуется при брожении углеводов в присутствии Aspergillus fumaricus. Промышленный способ получения основан на изомеризации малеиновой кислоты под действием HCl, содержащей бром. Соли и эфиры называются фумаратами. В пищевой промышленности фумаровую кислоту используют как заменитель лимонной и винной кислот (пищевая добавка Е297). Обладает токсичностью, в связи с чем суточное потребление с продуктами питания лимитировано уровнем 6 мг на 1 кг массы тела.
Глюконо-дельта-лактон - продукт ферментативного аэробного окисления рН,О-глкозы. В водных растворах глюконо-дельта-лактон гидро-лизуется в глюконовую кислоту, что сопровождается изменением рН раствора. Используется в качестве регулятора кислотности и разрыхлителя (пищевая добавка Е575) в десертных смесях и продуктах на основе мясных фаршей, например, в сосисках.
Фосфорная кислота и ее соли - фосфаты (калия, натрия и кальция) широко распространены в пищевом сырье и продуктах его переработки. В высоких концентрациях фосфаты содержатся в молочных, мясных и рыбных продуктах, в некоторых видах злаков и орехов. Фосфаты (пищевые добавки Е339-341) вводятся в безалкогольные напитки и кондитерские изделия. Допустимая суточная доза, в пересчете на фосфорную кислоту, соответствует 5-15 мг на 1 кг массы тела (поскольку избыточное количество ее в организме может стать причиной дисбаланса кальция и фосфора).
271 :: 272 :: 273 :: 274 :: Содержание
274 :: 275 :: Содержание
ПИЩЕВЫЕ КИСЛОТЫ В ПИТАНИИ
Значение пищевых кислот в питании человека определяется их энергетической ценностью (табл. 7.5) и участием в обмене веществ. Обычно они не вызывают дополнительной кислотной нафузки в организме, окисляясь при обмене веществ с большой скоростью.
Таблица 7.5. Коэффициенты энергетической ценности основных пищевых кислот
| Пищевая кислота | Коэффициент энергетической ценности, ккал/г |
| Лимонная кислота | 2,5 |
| Яблочная кислота | 2,4 |
| Молочная кислота | 3,6 |
Основная функция органических кислот, входящих в состав пищи, связана с участием в процессах пищеварения.
К таким функциям органических кислот относятся:
- активация перистальтики кишечника;
- стимуляция секреции пищеварительных соков;
- влияние на формирование определенного состава микрофлоры путем снижения рН среды;
- торможение развития гнилостных процессов в толстом кишечнике.
Для различных органических кислот обнаружены некоторые другие эффекты воздействия.
Показано, что отдельные пищевые кислоты, например лимонная, препятствуют образованию в организме канцерогенных нитрозаминов, способствуют снижению риска возникновения и развития онкологических патологий. Лимонная кислота (соответственно, цитрат) способствует также усвоению организмом кальция (ее содержание в костях и зубах составляет 0,5-1,5%), оказывает активирующее или ингибирующее действие на некоторые ферменты. Бензойная кислота обладает антисептическим действием.
Однако, с другой стороны, известно, например, что щавелевая кислота в виде кальциевой соли способна откладываться в суставах или в виде камней - в мочевыводящих путях. Основными пищевыми источниками этой кислоты являются зеленый крыжовник, листья шпината, щавеля и крапивы. В противоположность этому, в процессах, предотвращающих выпадение солей кальция в мочеточниках, важную роль играет цитрат мочевины. Образование комплексов с кальцием и магнием лежит также в основе процесса торможения кровотечения. Винная кислота организмом человека не усваивается.
274 :: 275 :: Содержание
275 :: 276 :: 277 :: Содержание
7.6. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИСЛОТ
В ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ
В основе определения рН различных пищевых систем лежат стандартные методы, описанные в руководствах по аналитической химии. К ним относятся калориметрический и электрометрический методы.
Определение потенциальной кислотности, характеризующей общее содержание веществ, имеющих кислотный характер, основано на титровании этих веществ сильными основаниями (щелочами). Для различных пищевых продуктов характерны свои особые условия титрования, результаты которых представляют в соответствующих кислотных числах.
Анализ кислотного состава пищевого продукта дает возможность обнаружить фальсификацию или подтвердить его натуральность. Для определения содержания органических кислот используют как стандартные, так и альтернативные методы контроля.
Официальный метод анализа молочной кислоты основан на ее окислении перманганатом калия до уксусного альдегида, который определяют иодометрически. Наиболее известные методы определения винной
кислоты базируются на щелочном титровании выпадающего винного камня. Большинство органических кислот можно определить хромато-графическими методами.
К альтернативным относятся методы, основанные на использовании ферментативных систем. Характерными особенностями ферментативного анализа являются специфичность, обеспечивающая достоверность результатов, высокие точность и чувствительность.
Перечень органических кислот в составе пищевых продуктов, определяемых ферментативными методами, представлен в табл. 7.6.
Таблица 7.6. Пищевые кислоты в составе различных продуктов питания, определяемые ферментативными методами
| Группа продуктов | Определяемая кислота | |||||||||||||||
| L-Аскорбиновая | L-Аспарагиновая | В-3-Гидроксимасляная | L-Глутаминова | D-Глюконовая | D-Изолемонная | Лимонная | L-Молочная | D-(L)Молочная | Муравьиная | Уксусная | Щавелевая | D-Яблочная | L-Яблочная | D-(L) Яблочная | Янтарная | |
| Детское питание, диетические продукты | + | + | + | + | + | |||||||||||
| Пиво, вино, игристые и шампанские вина, спиртные напитки | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||||||
| Соки, нектары, сокосодержащие напитки, продукты переработки фруктов и овощей, безалкогольные напитки (например, лимонады) | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||||
| Яйца и яичные продукты | + | + | + | |||||||||||||
| Молоко и молочные продукты | + | + | + | + | + | + | ||||||||||
| Пищеконцентраты (например, супы, соусы) | + | |||||||||||||||
| Сахар и сахаросодержащие изделия | + | + | + | |||||||||||||
| Мясо и мясные изделия | + | + | + | + | + | + |
Использование ферментативных методов в аналитической химии органических пищевых кислот, в зависимости от группы анализируемых продуктов, может иметь различные цели, к которым относятся:
- производственный контроль;
- системы обеспечения качества;
- контроль качества готовой продукции;
- контроль сырья;
- оценка качества;
- анализ состава с целью установления пищевых свойств и их соответствия нормативной документации;
- оценка гигиенического статуса;
- мониторинг качества;
- выявление нежелательных компонентов;
- установление фальсификации;
- определение доли натурального сырья;
- определение аутентичности (подлинности).
Контрольные вопросы
1. Дайте общую характеристику кислот, входящих в состав пищевых продуктов.
2. Приведите примеры веществ, используемых в пищевой промышленности для регулирования рН пищевых систем.
3. В каких технологических функциях проявляется действие органических кислот в пищевых системах?
4. Каковы особенности органических кислот, применяемых в пищевых целях?
5. Приведите примеры биохимических изменений кислотности пищевой системы.
6. Дайте краткую характеристику методов, позволяющих определять кислоты в составе продуктов.
7. На какие технологические параметры оказывает влияние величина рН?
275 :: 276 :: 277 :: Содержание
278 :: 279 :: Содержание
ГЛАВА 8.
ФЕРМЕНТЫ
Использование ферментов превратилось в важнейший промышленный принцип совершенствования пищевой технологии. Существенный вклад в это внесли достижения микробиологии и биохимии. Таким образом, производство продуктов питания в настоящее время превратилось из своего рода искусства в высокоспециализированную технологию, которая основывается на открытиях естественных наук.
Биохимические процессы, протекающие при хранении сырья и при производстве пищевых продуктов, связаны с действием естественных, собственных ферментов пищевого сырья, а также ферментов, вносимых в ходе технологического процесса в виде ферментных препаратов. Прежде всего это ферменты, продуцируемые различными микроорганизмами; кроме того, для получения ферментных препаратов используют проросшее зерно, ткани животных или тропические растения.
Еще на заре цивилизации человек сталкивался с различными ферментативными процессами и использовал их в своей практической деятельности. Спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга при приготовлении сыров, использование солода и плесневых грибов для осахаривания крахмалистого сырья, применение заквасок при изготовлении хлеба - все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамятных времен.
В настоящее время многие отрасли промышленности - хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство спирта, сыроделие, производство органических кислот, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков - основаны на использовании различных ферментативных процессов. Кроме того, препараты ферментов находят все более широкое применение в медицине и сельском хозяйстве. В связи с этим возникла и развивается новая отрасль промышленности - производство ферментных препаратов.
Общие аспекты применения ферментов в пищевой промышленности, а также вопросы, связанные с производством промышленных
ферментов, нашли широкое отражение в специальной учебной и научной литературе. Однако необходимо обратить особое внимание на то, что работа с ферментами, их использование требуют элементарной грамотности в вопросах ферментативной кинетики и способах регуляции ферментативной активности.
Кроме того, необходимо всегда учитывать наличие в сырье собственных эндогенных ферментов, которые в процессе приготовления пищевых продуктов могут оказывать различное действие (как положительное, так и отрицательное).
Вопрос об эндогенных ферментативных системах того или иного биологического сырья не рассматривается в данном разделе отдельно, но будет затрагиваться всякий раз, когда речь зайдет о совместном действии эндогенных ферментов и ферментных препаратов.
278 :: 279 :: Содержание
279 :: 280 :: 281 :: Содержание
ОБЩИЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
Ферменты - биологические катализаторы белковой природы. Они значительно повышают скорость химических реакций, которые в отсутствие ферментов протекают очень медленно. При этом ферменты не расходуются и не претерпевают необратимых изменений.
Каким образом ферменты повышают скорость реакций? Они ускоряют химические реакции, находя "обходные пути", позволяющие молекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергетическом уровне. Это становится возможным потому, что ферментативная реакция состоит из 2-х стадий: на первой стадии происходит образование фермент-субстратного комплекса, переходному состоянию которого соответствует значительно более низкая энергия активации; на второй стадии этот комплекс распадается на продукты реакции и свободный фермент, который может взаимодействовать с новой молекулой субстрата. Это можно выразить следующим уравнением:
E + S ↔ ES → P + E
где E - фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратный комплекс, P - продукты реакции.
Особенности ферментов. Ферменты, являясь по своей природе белками, обладающими третичной или четвертичной структурой, имеют ряд особенностей, которые отличают их от неорганических катализаторов.
В первую очередь, это огромная сила каталитического действия. Ферменты в 108- 1020 раз повышают скорость катализируемых ими реакций. Во-вторых, это специфичность действия ферментов. Они катализируют строго определенные реакции. Только
благодаря тончайшей специфичности ферментативного катализа возможна строгая упорядоченность и теснейшая взаимосвязь отдельных ферментативных реакций, лежащих в основе биологического обмена веществ.
По степени специфичности отдельные ферменты довольно сильно различаются между собой. Выделяют следующие основные типы специфичности:
- абсолютная специфичность - фермент катализирует превращение только одного субстрата;
- групповая специфичность - фермент действует на группу родственных субстратов, обладающих определенными структурными особенностями;
- специфичность по отношению к определенным типам реакций - такие ферменты обнаруживают наименьшую специфичность, они действуют независимо оттого, какие группы присутствуют вблизи той связи, на которую направлено действие фермента;
- стереохимическая специфичность - фермент катализирует превращение только одной стереохимической формы субстрата.
Третьей особенностью ферментов, как биологических катализаторов, является их лабильность. Они подвержены влиянию различных факторов и могут изменять свою активность под действием рН, температуры, присутствия активаторов и ингибиторов и др. Лабильность (или, иными словами, изменчивость) ферментов обусловлена их белковой природой, сложной пространственной конфигурацией (структурой).
Влияние этих факторов на активность ферментов и скорость катализируемых ими реакций будет рассмотрена в разделе кинетики.
Многие ферменты являются двухкомпонентными, то есть состоят из белковой части - апофермента и связанного с ним небелкового компонента - кофермента, участвующего в действии фермента в качестве обязательного кофактора. В результате ферментативных реакций коферменты, как правило, не подвергаются изменениям, однако при ряде последовательно протекающих реакций кофермент может представлять собой субстрат для отдельных ферментов, хотя и регенерируется в конечном счете в исходной форме.
Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях и механизм действия чрезвычайно разнообразны. Так, например, в качестве коферментов могут выступать витамины и их производные.
В соответствии с химическим строением коферменты можно подразделить на следующие группы: а) коферменты алифатического ряда (глутатион, липоевая кислота); б) коферменты ароматического ряда (коэнзим Q - убихинон); в) коферменты - гетероциклические соединения (производные витаминов B6, B1, биотина - витамина H, производные
фолиевой кислоты); г) коферменты - нуклеотиды и нуклеозиды (коэн-зим А, НАД/НАДО, ФАД/ФАДФ).
Единицы активности ферментов. Любой ферментный препарат прежде всего должен быть охарактеризован по его ферментативной активности. Комиссия по ферментам Международного Биохимического Союза рекомендует использовать следующие понятия и выражения единиц активности ферментов.
- Стандартная единица фермента - это такое количество фермента, которое катализирует превращение одного микромоля данного субстрата за одну минуту при заданных условиях. Стандартная единица фермента обозначается буквой E (от русского слова "единица") или буквой U (от английского слова "unit").
- Уд ельная активность- это число единиц (E или U), отнесенное к одному миллиграмму белка в ферментном препарате. Количество белка в препарате фермента может быть определено любым известным методом определения белка (метод Кьельдаля, метод Лоури и др.).
- Молекулярная активность - число молекул данного субстрата или эквивалентов затронутых групп, превращаемых за одну минуту одной молекулой фермента при оптимальной концентрации субстрата. Это понятие соответствует числу оборотов, введенных Варбургом. Число оборотов по Варбургу - это число молей превращенного субстрата, приходящееся на моль фермента за минуту. Для определения молекулярной активности фермента нужно знать его молекулярную массу.
- Катал - каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью равной 1 молю в секунду в заданной системе измерения активности. Каталитическая активность в 1 катал (кат) при практическом применении оказывается слишком большой величиной, по этому в большинстве случаев каталитические активности выражают в микрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат) или пикокаталах (пкат). Стандартная единица фермента находится с каталом в следующем соотношении: 1 E (U) = 16,67 нкат.
279 :: 280 :: 281 :: Содержание
281 :: 282 :: 283 :: 284 :: 285 :: 286 :: 287 :: 288 :: 289 :: 290 :: 291 :: 292 :: 293 :: 294 :: 295 :: Содержание
Ферментативная кинетика
Ферментативный катализ существенно отличается от неферментативного, в связи с чем в кинетике ферментативных реакций разработаны совершенно особые закономерности. Они позволяют выделить ферментативную кинетику в самостоятельный раздел химической кинетики, в котором изучается зависимость скорости реакций, катализируемых ферментами, от концентрации реагирующих веществ (ферментов и субстратов) и от условий их взаимодействия (температуры, рН, концентрации
коферментов и кофакторов, наличия различных эффекторов: активаторов и ингибиторов).
Изучение кинетики ферментативного действия имеет важное теоретическое значение, поскольку только с позиций кинетики можно подойти к решению вопроса о механизме ферментативного действия. Но оно также необходимо с практических позиций, так как только имея определенные сведения о кинетике действия того или иного фермента, можно подобрать оптимальные условия для его работы, а также влиять на его активность в заданном направлении на различных стадиях технологического процесса.
Вопросы, связанные с кинетикой ферментативных реакций, детально изложены в специальных разделах биохимии и энзимологии, поэтому основное внимание уделим тем положениям, которые необходимы для грамотного подхода к работе с ферментами: подбору условий для определения активности фермента, определению начальной скорости ферментативной реакции, выбору субстрата, определению его насыщающей концентрации, оптимуму действия температуры и рН, влиянию кофакторов, активаторов и ингибиторов.
Наличие фермента в растворе или экстракте можно определить исходя из скорост