Глава 3. Ферментные препараты

Ферментные препараты в отличие от ферментов содержат помимо активного фермента множество балластных веществ, в том числе, и других белков. Кроме того, большинство ферментных препаратов являются комплексными, т.е. кроме основного фермента, имеющего наибольшую активность, в его состав входят другие сопутствующие ферменты. Однако существуют препараты и индивидуальных ферментов.

В промышленных условиях ферментные препараты получают из растительного сырья, например из таких растений как папайя, ананас, инжир (папаин, бромелаин и фицин соответственно); из органов и тканей животных (пепсин, трипсин, химотрипсин и др.). Однако наиболее широко ферментные препараты получают путем культивирования микроорганизмов.

Название ферментного препарата включает название основного фермента и название микроорганизма-продуцента, с окончанием «-ин». Например: амилоризин — основной фермент — амилаза, продуцент Aspergillus oryzae; протосубтилин — основной фермент — протеаза, продуцент Bacillus subtilis. Помимо этого, в названии обязательно отражается способ культивирования микроорганизма: Г — глубинный; П — поверхностный, а также степень очистки — Х (2Х; 3Х; 10Х; 15Х; 20Х).

Ферментные препараты должны удовлетворять требованиям, предъявляемым конкретными технологиями не только по типу катализируемой реакции, но и в отношении условий их действия: рН, температуры, стабильности, присутствия активаторов и ингибиторов, т.е. тех факторов, которые обуславливают эффективность действия препарата в данной среде, и позволяют правильно определить технологические режимы его применения.

В зависимости от цели применения к ферментным препаратам предъявляются определенные требования не только в отношении состава ферментов и оптимальных условий их действия, но и в отношении степени очистки, применяемых наполнителей, стоимости и ряда других параметров.

Очень важным моментом является оценка безопасности ферментных препаратов, и в первую очередь, это касается микробных ферментных препаратов, которые требуют тщательного химического, микробиологического и токсикологического контроля. Особое место занимают ферментные препараты, получаемые из генетически модифицированных микроорганизмов. Основными ферментными препаратами, полученными методами генной инженерии и разрешенными к применению в пищевой промышленности, являются: α-амилаза из B. stearothermophilys, экспессированная в B. subtilis; α-амила-за из B. megaterium экспессированная в B. subtilis; химозин А, полученный из штамма Е. coli К-12, содержащего ген телячьего прохимозина А.

Достижения молекулярной биологии, биохимии и энзимологии привели к тому, что в настоящее время строение и функции многих ферментов изучены очень детально и это позволило создать теоретическую базу для производства ферментов пролонгированного действия или иммобилизованных ферментов, то есть фиксированных или связанных ферментных препаратов. Сущность иммобилизации ферментов заключается в присоединении их в активной форме тем или иным способом к инертной матрице (обычно это нерастворимый полимерный носитель).

Иммобилизацию фермента можно определить и как включение молекулы фермента в какую-либо изолированную фазу, которая отделена от фазы свободного раствора, но способна обмениваться находящимися в ней молекулами субстрата, эффектора или кофактора.

Фаза фермента обычно нерастворима в воде и часто представляет собой высокомолекулярный гидрофильный полимер, например, целлюлозу, полиакриламид, сефарозу и т.п. Включение фермента в изолированную фазу осуществляют различными способами: фермент может быть ковалентно связан с этой фазой, адсорбирован на ней или физически включен в нее.

В настоящее время разработаны методы иммобилизации множества ферментов. Один и тот же фермент можно иммобилизировать несколькими методами. Например, глюкозоизомеразу из S. phaeochromogenes можно иммобилизовать на различных носителях: пористом алюминии, ДЭАЭ-целлюлозе, ДЭАЭ-крахмале и др. Лактатдегидрогеназу можно включить в гель, прикрепить к носителю поперечной сшивкой; аспарагиназу — прикрепить к носителю сорбционным путем или химической (ковалентной) связью.

В настоящее время в мире производится достаточно большое количество ферментных препаратов для разных отраслей пищевой промышленности, применяемых на различных стадиях технологического процесса. Однако, работа по поиску новых продуцентов, созданию новых препаратов пролонгированного действия, очистке ферментных препаратов, повышению их стабильности и т.п. ведется весьма интенсивно.

Среди основных направлений исследований можно выделить следующие:

– скрининг новых микроорганизмов-продуцентов ферментов;

– модификация ферментов с целью повышения их активности;

– получение новых рекомбинантных ферментов с заданными свойствами;

– применение ферментативного катализа с использованием мульт-энзимных композиций (МЭК) для получения ценных пищевых ингредиентов и биологически активных веществ;

– разработка пищевых нанотехнологий с использованием ферментов.

Достижения современной энзимологии значительно расширили возможности применения ферментов, в первую очередь, в медицине и пищевой промышленности, где их используют практически во всех отраслях (таблица 1).

Таблица 1. Применение ферментных препаратов в различных отраслях

пищевой индустрии

Отрасль	Технологические цели применения ферментов
Технология переработки зерна	Повышение выхода муки и круп, улучшение качества клейковины, производство модифицированной муки зернобобовых
Хлебопечение	Сокращение расхода муки, улучшение теста, замедление черствления изделий, улучшение цвета корочки, производство охлажденного и замороженного теста
Пивоварение	Использование несоложенного сырья, разжижение, улучшение фильтрации, контроль содержания азота, получение низкокалорийного пива, стабилизация пива
Технология молочных продуктов	Коагуляция молока, замена сычужного фермента в производстве сыра, модификация молочного белка, создание сырного аромата, получение ферментативно модифицированных сыров, удаление перекиси водорода, получение молочного сахара
Производство вина, фруктовых соков, газированных напитков, консервов	Осветление, мацерация сырья, удаление пектина из сока, увеличение выхода, получение сладких ликеров, стабилизация вин и соков, производство соков с мякотью и пюре
Переработка крахмала	Увеличение выхода, модификация крахмала, разжижение, осахаривание, получение глюкозо-фруктозных сиропов
Спиртовая промышленность	Конверсия сырья, разжижение крахмала, осахаривание, улучшение роста дрожжей, увеличение выхода спирта
Производство кофе	Сепарация зерен, контроль вязкости экстрактов, улучшение вкуса и аромата
Производство белков	Гидролиз белков и полисахаридов, снижение вязкости, производство модифицированных пептидов и белков
Производство сахара	Удаление крахмала, белков и полисахаридов
Производство ароматизаторов	Синтез тонких ароматов, получение натуральных ароматических эфиров и т.д.
Производство масел и жиров	Увеличение выхода, модификация жиров, экстракция масла, получение биологически активных веществ (лецитина, токоферолов, каротинов и др.)
Технология мясопродуктов	Увеличение выхода, тендеризация мяса, получение мясных экстрактов, текстуризация белков, продление сроков хранения
Производство растительных экстрактов	Увеличение экстрактивности, сокращение длительности экстракции, улучшение фильтрации, повышение выхода пигментов, производство чая и чайных экстрактов, сокращение времени экстракции, усиление аромата и цвета
Производство пектина	Упрощение технологии, увеличение выхода, регулирование степени этерификации