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.
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).
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.
45Методы 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.
Общие свойства ферментов
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).
Оксидоредуктазы
Полифенолоксидаза. Иначе о-дифенолоксидаза, тирозиназа, фенолаза, катехолаза и др. Фермент может катализировать окисление моно-, ди-, и полифенолов.
Молекула фермента обладает четвертичной структурой и имеет молекулярную массу около 34 000 Да. Полифенолоксидаза — купропротеид. Содержание меди — 0,2%, или один атом Си на 1 молекулу фермента. Зона оптимальной активности лежит между рН 5,0 — 7,0.
В зависимости от того, из какого источника выделен фермент, способность его к окислению различных фенолов различна.
С действием этого фермента связано образование темноокрашенных соединений — меланинов при окислении кислородом воздуха аминокислоты — тирозина. Потемнение срезов картофеля, яблок, грибов, персиков и других растительных тканей в большей степени или полностью зависит от действия полифенолоксидазы. В пищевой промышленности имеет место при сушке плодов и овощей, а также при производстве макаронных изделий из муки с повышенной активностью полифенолоксидазы. Эта цель может быть достигнута путем тепловой инактивации фермента (бланшировка), добавлением ингибиторов (NaHSO 3 , SO 2 , NaCl) или связыванием субстрата посредством метилирования.
Положительная роль фермента проявляется при некоторых ферментативных процессах: например, при ферментации чая. Окисление дубильных веществ чая под действием полифенолоксидазы приводит к образованию темноокрашенных и ароматических соединений, которые определяют цвет и аромат черного чая.
Каталаза. Этот фермент катализирует разложение пероксида водорода. Таким образом, фермент окисляет одну молекулу перекиси водорода до кислорода с одновременным восстановлением другой молекулы перекиси водорода до Н 2 О. Каталаза относится к группе гемопротеиновых ферментов. Содержит 0,009% железа в виде геминовой группировки или 4 атома на одну молекулу фермента. Молекулярная масса ферментов, выделенных из различных объектов (дрожжей, растительных и животных тканей, микроорганизмов), лежит в пределах от 225 000 до 250 000 Да. Они имеют существенные различия в оптимуме рН (от 2 до 9), в термо- и рН-стабильности. Фермент ингибируется цианидом (обратимо), фенолами (обратимо лишь в слабой форме), щелочью и мочевиной (необратимо). Функцией каталазы в живом организме является
защита клетки от губительного действия перекиси водорода.
Хорошим источником для получения промышленных препаратов каталазы являются культуры микроорганизмов и печень крупного рогатого скота.
Каталаза находит свое применение в пищевой промышленности при удалении избытка Н 2 О 2 при обработке молока в сыроделии, где последняя используется в качестве консерванта; а также совместно с глюкозооксидазой применяется для удаления кислорода и следов глюкозы.
Пероксидаза. Пероксидаза — двухкомпонентный фермент, представляющий собой сочетание тема и гликопротеида. Показано, что углеводная часть придает белку большую специфичность; предполагают, что углеводы стабилизируют трехмерную структуру фермента.
Доказано существование изоферментов, то есть тех форм ферментов, которые обусловлены генетически. В связи с этим принято говорить о целой системе пероксидаз, работающих в любом живом организме. Интересным представляется факт широкой субстратной специфичности пероксидаз по отношению к донорам водорода (1 –и субстрат), ими могут служить фенолы, амины, другие органические соединения; и строгой специфичности по отношению к акцептору водорода (2-й субстрат) — перекиси водорода.
Механизм реакции, предположительно, основан на образовании комплексов фермент — донор и двух одновалентных ступеней окисления.
Изучению пероксидазы были посвящены классические работы Г. Теореля, Б. Чанса, А. Н. Баха, Р. Шода. Наиболее активная Пероксидаза выделена из корней хрена. Ее молекулярная масса равна примерно 40 000 Да, изоэлектрическая точка 7,2. Фермент содержит один атом железа на молекулу. Он достаточно устойчив в растворах при величинах рН от 4 до 12; его термостабильность значительно выше термостабильности каталазы. Оптимум рН для пероксидазы хрена равен 7; при рН от 6 до 8 сохраняется 70% его активности.
Липоксигеназа. Этот фермент катализирует окисление полиненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот (линолевой и линоленовой) кислородом воздуха с образованием высокотоксичных гидроперекисей.
Основное количество жирных кислот превращаются в гидроперекиси, обладающие сильными окислительными свойствами, и именно на этом основано использование липоксигеназы в пищевой промышленности.
Липоксигеназа впервые была выделена из семян сои в 1928 г. Последующие исследования показали, что липоксигеназа широко распространена и в других растительных объектах:
пшенице и других злаках, в семенах масличных и бобовых культур, в картофеле, баклажанах и т. д.
Тем не менее самым богатым источником фермента является мука соевых бобов. Липоксигеназе принадлежит важная роль в процессах созревания пшеничной муки, связанных с улучшением ее хлебопекарных достоинств. Образующиеся под действием фермента продукты окисления жирных кислот способны вызывать сопряженное окисление ряда других компонентов муки (пигментов, SH-групп клейковинных белков, ферментов и др.). При этом происходит осветление муки, укрепление клейковины, снижение активности протеолитических ферментов и другие положительные изменения.
В разных странах разработаны и запатентованы способы улучшения качества хлеба, основанные на использовании препаратов липоксигеназы (главным образом, липоксигеназы соевой муки). Все они требуют очень точного дозирования фермента, так как даже небольшая передозировка приводит к резко отрицательному эффекту и вместо улучшения качества хлеба происходит его ухудшение.
Использование липоксигеназы как улучшителя окислительного действия требует определенной осторожности, так как хорошо известна токсичность переокисленных жиров. Интенсивное окисление липоксигеназой свободных жирных кислот может сопровождаться вторичными процессами образования веществ различной химической природы с неприятным вкусом и запахом, характерным для прогорклого продукта. Технологически приемлема ограниченная степень окисления полиненасыщенных жирных кислот как промежуточного звена преобразования других компонентов биологического материала, не приводящая к накоплению фракции окисленных липидов.
Глюкозооксидаза. Этот фермент был впервые выделен еще в 1904 г. Н. А. Максимовым из плесневых грибов. Фермент представляет собой флавопротеид, в котором белок соединен с двумя молекулами ФАД. Он окисляет глюкозу с образованием в конечном счете глкжоновой кислоты и обладает практически абсолютной специфичностью по отношению к глюкозе. Суммарное уравнение имеет следующий вид: Глюкоза + Н 2 О + О 2 = глюконовая кислота + Н 2 О 2
На первом этапе этой реакции происходит отнятие двух атомов водорода у первого
углеродного атома глюкозы. При этом образуется восстановленный флавиновый фермент
и лактон глюконовой кислоты. Далее восстановленный фермент реагирует с кислородом
воздуха, и образуется перекись водорода. Токсичная перекись водорода расщепляется
каталазой на кислород и воду, а β-О-глюконо-б-лактон подвергается спонтанному
расщеплению с присоединением воды, в результате чего образуется глюконовая кислота.
Высокоочищенные препараты глюкозооксидазы получают из плесневых грибов рода
Aspergillus и Penicillium. Они имеют примерно одинаковую молекулярную массу — около
150 000 Да, изоэлектрическую точку 4,2 — 4,3 и оптимум рН 5,6.
Благодаря исключительной специфичности препараты глюкозооксидазы применяются как
аналитическое средство для количественного определения глюкозы.
Кроме этого, препараты глюкозооксидазы нашли применение в пищевой
промышленности как для удаления следов глюкозы, так и для удаления следов кислорода.
Первое — необходимо при обработке пищевых продуктов, качество и аромат которых
ухудшаются из-за того, что в них содержатся восстанавливающие сахара; например, при
получении из яиц сухого яичного порошка. Здесь имеется в виду реакция Майяра, т. к.
глюкоза при сушке и хранении яичного порошка, особенно при повышенной температуре,
легко вступает в реакцию с аминными группами аминокислот и белков. Порошок темнеет,
и образуется ряд веществ с неприятным вкусом и запахом. Второе — необходимо при
обработке продуктов, в которых длительное присутствие небольших количеств кислорода
приводит к изменению аромата и цвета (пиво, вино, фруктовые соки, майонез). Внесение
пакетиков, содержащих смесь воды, глюкозы, фермента и буфера, способствует удалению
кислорода из воздушного пространства. Во всех подобных случаях в ферментную систему
включают каталазу, разлагающую Н 2 О 2 , которая образуется при реакции глюкозы с
кислородом. Этот метод нашел широкое применение в США для удаления кислорода из
Гидролитические ферменты
Для технологов наибольший интерес представляют три подкласса ферментов класса гидролаз. Это ферменты, действующие на сложноэфирные связи — эстеразы; действующие на гликозидные соединения — гликозидазыьи действующие на пептидные связи — протеазы.
Эстеразы. Этот подкласс включает большое число ферментов (около 150), которые разделены на семь подподклассов: ферменты, действующие на эфиры карбоновых кислот; эстеразы тиоловых эфиров; гидролазы фосфорных моноэфиров или фосфатазы; гидролазы фосфорных диэфиров; гидролазы моноэфиров олигофосфорных кислот; сульфатазы; эстеразы моноэфиров
дифосфорных кислот.
Наиболее важными с точки зрения участия в различных биохимических процессах, имеющих место при хранении и переработке пищевого сырья, являются ферменты подподкласса .
Липаза . Липаза или триацилглицероллипаза широко распространена в природе и играет важную роль в процессах, протекающих при переработке и хранении пищевых продуктов. В настоящее время выделены и охарактеризованы липазы растительного происхождения (липаза клещевины, пшеницы и других злаков), животного (панкреатическая липаза, липаза молока) и микробного (бактериальные и грибные липазы).
Установлено, что липазы быстрее отщепляют остатки высокомолекулярных жирных
кислот, чем низшие карбоновые кислоты. Ферментативный гидролиз липидов имеет
существенное отличие от других гидролитических реакций. Парадокс заключается в том,
что липаза — водорастворимый фермент, а ее субстрат гидрофобен; однако активность
липазы возрастает на границе "вода — липид". Этот феномен известен под названием
"межфазная активация".
Липазы различного происхождения сильно отличаются друг от друга по специфичности
действия, сродству к различным субстратам, растворимости, оптимуму рН и другим
свойствам. Так, например, липаза семян клещевины нерастворима в воде, имеет оптимум
рН 4,7 — 5,0; панкреатическая липаза растворима, и оптимум рН ее действия лежит в
слабощелочной среде. Липазы микробного происхождения и липаза пшеничных
зародышей также отличаются от липазы клещевины. Они растворимы в воде и имеют рН
оптимум при 8,0. Липаза молока, молекулярная масса которой примерно 7000 Да, имеет
оптимум рН 9,0 — 9,2 при гидролизе молочного жира.
Зерновая липаза участвует в процессе порчи зерновых продуктов при хранении. Особенно
это касается продуктов, содержащих повышенное количество жира, например, овсяной
муки или крупы, пшена. Накопление свободных жирных кислот под действием липазы
(рост кислотного числа жира) — признак ухудшения качества продукта. Свободные
жирные кислоты, особенно ненасыщенные, легко подвергаются окислению под
воздействием разных факторов: липоксигеназы, тепловой обработки, кислорода воздуха,
солнечного света и др. Таким образом, липазы могут инициировать процесс прогоркания
и ограничивать сроки хранения пищевых продуктов.
Одна из особенностей липаз связана с тем, что эти ферменты способны катализировать и
обратную реакцию, осуществлять синтез сложных эфиров, а также производить
переэтерефикацию триглицеридов, т. е. изменять их жирнокислотный состав. На этом
основании разрабатываются способы получения новых форм жировых продуктов с
использованием специфических липаз. Так, например, путем реакции переэтерифи-кации
делаются попытки получения жира — аналога масла какао из дешевого исходного сырья.
Пектинэстераза. Пектинэстеразы синтезируются высшими растениями,
микроскопическими грибами, дрожжами и бактериями. Пектинэстераза катализирует
гидролиз сложноэфирных связей в молекуле растворимого пектина, в результате чего
образуется метиловый спирт и полигалактуроновая кислота.
Гидролазы гликозидов или гликозидазы (Н.Ф.3.2). Этот подкласс включает около ста
ферментов с разной специфичностью действия, осуществяющих гидролиз олиго- и
полисахаридов; некоторые ферменты этого типа способны осуществлять трансферазные
реакции — переносить гликозидные остатки на олиго- и полисахариды, наращивать
полисахаридные цепочки. Представители гликозидаз были одними из первых ферментов,
обратимость действия которых in vitro была экспериментально доказана.
Основной формой запасных углеводов в семенах и клубнях растений является крахмал.
Ферментативные превращения крахмала лежат в основе многих пищевых технологий.
Поэтому ферменты амилолитического комплекса растительного, животного и микробного
происхождения интенсивно изучаются со времени их открытия Кирхгофом в 1814 г. и до
настоящего времени.
α-Амилаза (Н.Ф.3.2.1.1). α-Амилазы обнаружены у животных (в слюне и поджелудочной
железе), в растениях (проросшее зерно пшеницы, ржи, ячменя), они вырабатываются
плесневыми грибами и бактериями. Все эти ферменты гидролизуют крахмал, гликоген и
родственные α-1,4-глюканы с образованием, главным образом, декстринов и небольшого
количества дисахарида — мальтозы.
α-Амилазы гидролизуют α-1,4-связи внутри молекулы крахмала, разрывая связь между
первым углеродным атомом и кислородом, связывающим этот углерод с соседней
молекулой глюкозы.
Скорость, с которой α-амилазы гидролизуют глюканы различной степени полимеризации,
быстро уменьшается по мере ее снижения. Амилоза — линейная фракция крахмала,
гидролизуется быстрее, чем амилопектин, имеющий разветвленную структуру.
Скорость гидролиза α-амилазой зависит от вида и состояния крахмала (нативный или
клейстеризованный крахмал), а также от эффективности самих амилаз. На основании
параллельно проводившихся опытов (в одних — действовали препаратами амилаз на
клейстеризованный крахмал, а в других — эквивалентными концентрациями на нативные
крахмальные зерна) было показано, что эффективность амилаз различного происхождения
уменьшается в следующем порядке: панкреатическая, солодовая, бактериальная, грибная.
Характерной особенностью всех α-амилаз является наличие одного атома Са на молекулу
фермента. Роль кальция состоит в том, что он стабилизирует вторичную и третичную
структуру молекулы α-амилазы, обеспечивая таким образом ее каталитическую
активность и вместе с тем предохраняя фермент от действия протеолитических ферментов
и тепловой денатурации.
Мощным механизмом регуляции скорости расщепления крахмальных гранул является
система белковых ингибиторов амилаз, широко представленных в растениях. Ингибиторы
белковой природы избирательно взаимодействуют с амилазами и образуют неактивные
комплексы "амилаза — ингибитор". Высокой активностью обладают ингибиторы амилаз
картофельного сока. Из зерна пшеницы выделен ингибитор с двумя активными центрами
(двухцентровой). Один активный центр имеет сродство к протеазам и способен
блокировать их действие. Другой активный центр имеет сродство к амилазам. Таким
образом, один ингибитор белковой природы способен блокировать работу как протеаз, так
и амилаз. В образующемся надмолекулярном комплексе ингибитор выполняет
своеобразную роль связывающего звена, подавляя активность ферментов разного
механизма действия.
β-Амилаза. β-Амилаза отщепляет мальтозу от нередуцирующего конца цепи,
разрывая гликозидные связи через одну. Название "|3-амилаза" было выбрано для того,
чтобы показать, что мальтоза образуется в β-аномерной форме. Это не означает, что в
молекуле крахмала присутствуют β- связи, а указывает скорее на то, что происходит
инверсия конфигурации, которая может иметь место в процессе ферментативного превращения вещества, содержащего асимметрический атом углерода.
Такая инверсия была открыта П. Вальденом в 1893 г. и поэтому названа вальденовской
инверсией. На представленной ниже схеме действие β-Амилазы на амилозу и
амилопектин показано стрелками.
β-Амилазы — это ферменты в основном растительного происхождения. Хорошо
известными источниками являются зерно пшеницы, а также пшеничный и ячменный
солод, соевые бобы, клубни картофеля.
В отличие от α-амилазы, β-Амилаза менее термостабильна, но проявляет большую
устойчивость к кислым значениям рН, сохраняя свою активность при рН 3,3. Это нашло
свое отражение в способе разделения α-и β-Амилаз солода, где оба фермента
присутствуют одновременно.
Глюкоамилаза. Глюкоамилаза (у-амилаза) продуцируется различными
видами плесневых грибов рода Aspergillus: A. oryzae, A. niger, A. awamory и некоторыми
другими, например, Rhizopusdelamarn Rhizopus niveus. Эти ферменты расщепляют как
амилозу, так и амилопектин до глюкозы, последовательно действуя с нередуцирующего
конца цепи крахмала. Они способны гидролизовать α-1,4 и α-1,6 гликозидные связи.
Различные глюкоамилазы отличаются друг от друга скоростью гидролиза крахмала,
отношением к температуре и рН, и некоторыми другими показателями. На использовании
препаратов грибной глюкоамилазы разработан ферментативный метод получения
глюкозы, который получил широкое распространение в Японии.
Поллуланаза(Н.Ф. 3.2.1.41). Ранее этот фермент был известен под другими названиями —
R-фермент, предельная декстриназа, дебранчинг-фермент.
Поллуланаза является эндогенным ферментом, она способна хаотично гидролизовать α-
1,6-гликозидные связи в пуллулане, амилопектине, гликогене и предельных декстринах,
которые получаются при совместном воздействии на крахмал и гликоген α- и β-Амилаз.
Наиболее частым отцепляемым фрагментом является мальтотриоза. На представленной
ниже схеме действие пуллулоназы на пуллулан показано стрелками.
Продуцетами пуллуланазы являются Aerobacter aerogenes, Bacillus cereus, Bacillus
polimyxa, Bacillus sp. и Streptomyces. Ферменты, полученные из различных источников,
обладают разной молекулярной массой (от 48 000 до 143 000 Да) и по разному относятся к температуре и рН, действию ингибиторов и активаторов.
Инулаза (Н.Ф. 3.2.1.7). Фермент осуществляет гидродиз инулина и других
полифруктозанов по (3-1,2-фруктозидной связи, начиная с β-фруктозидного конца
полимера. В результате образуется фруктоза и единственная молекула глюкозы на одну
молекулу инулина. При полном гидролизе инулина получается 95% фруктозы и 5%
глюкозы.
Фермент гидролизует главным образом инулин; сахароза, рафиноза также гидролизуются,
но с незначительной скоростью. Инулаза содержится в тех же растениях (топинамбур,
цикорий), в которых присутствует инулин. Активная инулаза продуцируется Aspergillus
awamori BKM-808 при глубинном культивировании. Препарат обладает высокой
стабильностью к Н + -ионам и температуре. Оптимум рН действия 4,5; оптимум
температуры — 65°С.
Полученные из инулина фруктозные сиропы могут быть широко использованы в
кондитерской промышленности и диетическом питании.
β-Фруктофуранозидаза. Другие названия этого фермента — инвертаза или
сахараза.
Для промышленного производства имеют значения только ферменты из S. cerevisiae и S.
carlsbergensis. β-Фруктофуранозидазу выделяют из дрожжей путем автолиза. Этот
фермент гидролизует сахарозу по β-фруктозидной связи согласно уравнению:
В результате действия фермента на сахарозу получается смесь эквимолярных количеств α-
глюкозы и β-фруктозы, получившая название "инвертного сахара". Термин "инверсия"
обозначает изменения, происходящие в способности сахара вращать плоскость
поляризованного света. Это можно выразить следующей схемой:
Сахароза + Н 2 О → D (+)-глюкоза + D ( — )-фруктоза [α] D =+66,5° [ α] D = +52,5° [α] D = -92,4°
Оптимум рН дрожжевой инвертазы находится в достаточно широкой зоне от 4,0 до 5,5.
Фермент ингибируется ионами металлов. Полное ингибирование происходит под
действием ртути и свинца; частичное ингибирование вызывают ионы серебра, цинка,
меди. β-Фруктофуранозидаза гидролизует также рафинозу и метил-β-О-фруктофуранозид,
причем, если относительную скорость гидролиза сахарозы принять за 100, то
соответствующие скорости расщепления этих субстратов будут равны 47 и 77.
Инвертаза находит широкое применение в пищевой промышленности. Гидролиз
концентрированных растворов сахарозы приводит к образованию более сладких сиропов.
Точка кипения инвертированных сиропов выше, а точка замерзания ниже, т. к. при
инверсии повышается осмотическое давление.
β-Галактозидаза. Фермент, который часто называют лактазой,
катализирует реакцию гидролитического отщепления нередуцирующих остатков β-D-
галактозы в β-галактозидах, в частности, в молочном сахаре — дисахариде лактозы:
Ферментные препараты лактазы, применяемые в пищевой промышленности, получают с
помощью различных продуцентов: микроскопических грибов (A. oryzae, A. niger),
бактерий (Е. coli, Lactobacillus), дрожжей (S. fragilis, S. psedotropicalis). Все они имеют
различные температурные оптимумы, которые, однако, лежат в пределах 37 — 50°С.
Оптимумы рН этих ферментов также заметно отличаются: для бактериальных — около
7,0; для грибных — около 5,0; для дрожжевой лактазы — около 6,0.
При гидролизе лактозы в цельном молоке, обезжиренном молоке или в концентратах
молока оптимальную активно