Технологические пищевые добавки

Ферменты высокого качества позволяют улучшить технологию, сократить  затраты и даже получить новые  продукты. Это один из  наиболее эффективных и перспективных способов ускорения технологических процессов.

5.1 Номенклатура ферментов

Современная номенклатура ферментов  устанавливалась в течение нескольких последних лет. В научном мире используются систематические названия, разработанные Комитетом по номенклатуре и классификации энзимов Международного союза биохимиков. В соответствии с международной номенклатурой и типами катализируемых ими реакций энзимы делятся на шесть основных групп:

• оксидоредуктазы — класс ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции;

• трансферазы — ферменты, переносящие различные химические группировки;

• гидролазы — ферменты, катализирующие реакции расщепления внутримолекулярных связей, протекающие с присоединением воды в точке расщепления;

•  лиазы — ферменты, удаляющие радикалы негидролитическим путем с образованием двойных связей;

• изомеразы — класс ферментов, катализирующих взаимные превращения изомеров;

•  лигазы — ферменты, катализирующие присоединение друг к другу двух молекул при расщеплении пирофосфатной связи в АТФ или подобного вещества.

В этой системе номенклатур  энзим обозначается префиксом ЕС со следующим за ним рядом чисел  с пробелом после каждого числа. Первое число обозначает одну из перечисленных  выше основных групп. Остальные числа  обозначают определенные подклассы  энзимов в соответствии с природой катализируемых ими реакций.

Международным комитетом, регулирующим вопросы, связанные с номенклатурой  ферментов, рекомендована тривиальная  номенклатура, в соответствии с которой  к названиям их субстратов (веществ, на которые воздействуют ферменты) добавляют суффикс «-аз», например, липидгидролизующие ферменты называют липазами. Кроме того, иногда к названию источника ферментов добавляют суффикс «-ин». Примером такого названия служит фермент папаин, вьщеляе-мый из млечного сока папай.

Систематические названия достаточно сложные, очень длинные для использования  и написания, поэтому на практике технологи и

ученые, как правило, применяют  тривиальные названия. Кроме того, ферменты для удобства подразделяют на несколько групп в соответствии с катализируемыми ими реакциями (карбогидразы, протеазы и т. д.). Во избежание путаницы приводятся и тривиальные, и систематические названия.

При наименовании ферментных препаратов в России и ряде других стран в номенклатуре указываются  вид ферментативной активности (амилолитическая — А), продуцент и метод культивирования (поверхностный — П, глубинный — Г), степень концентрации фермента по сравнению с исходной культурой продуцента (протосубтилин Г10Х).

5.2 Факторы, влияющие на реакции ферментации

На активность ферментов, а следовательно, и на скорость реакции ферментативного катализа оказывают влияние различные факторы. К числу основных относятся:

• концентрация и доступность  субстрата;

• концентрация фермента;

• температура реакции;

• рН реакции;

• продолжительность процесса;

• наличие ингибиторов  или активаторов.

В общем случае при низких концентрациях субстратов реакции  ферментации относятся к кинетическим реакциям нулевого порядка. Участие  ферментов в пищевых технологиях  исчисляется минутами, поэтому концентрации субстратов значительно превосходят  концентрации ферментов. Скорость большинства  реакций ферментации соответствует  кинетическому уравнению первого  порядка

dP/dT = k(S-P),

где dP/dT—  скорость образования продукта, (S-P) — остаточная концентрация субстрата в данный момент.

Следовательно, скорость реакции  зависит от остаточной концентрации субстрата. Важным практическим применением  концентрации субстрата является использование  его для повышения стабильности ферментов. Ферменты значительно быстрее  денатурируют в разбавленных растворах. При высоких концентрациях субстратов каталитические центры ферментов насыщаются (заполняются) субстратом, повышая стабильность. В практическом отношении принципиальной является доступность субстратов. Наличие  высоких концентраций субстратов совершенно не гарантирует протекания реакции. Для проведения катализа субстрат должен находиться в контакте с ферментом. Типичным примером вышесказанного является гидролиз триа-цилглицерина липазами. Фермент гидрофилен, в то время как субстрат гидрофобен. Применение эмульгатора, обеспечивающего контакт фермента и субстрата, значительно увеличивает скорость гидролиза.

Концентрация ферментов  всегда относительно невелика. Для  большинства пищевых применений скорость реакций пропорциональна  концентрации ферментов Исключение составляют те случаи, когда реакции  доводят до очень низких уровней  субстрата.

Влияние температуры на ферменты двояко Для большинства химических реакций скорость реакции с повышением температуры увеличивается за счет кинетической энергии реагентов До критической температуры ферменты ведут себя аналогично, выше критической — начинается снижение скорости процесса Поэтому температура процесса ферментации крайне важна При повышенных температурах скорости реакции и денатурации ферментов одинаково велики В большинстве случаев температура оптимизируется с учетом обеих реакций Температура также используется для стабилизации ферментов относительно других факторов. Например, при снижении температуры реакции может быть увеличен диапазон рН ферментативного катализа.

Абсолютной является зависимость  активности ферментов от величины рН При этом для одних ферментов диапазон оптимальных значений рН узкий, а для других — широкий Стабильность ферментов также зависит от рН. Даже ограниченные изменения рН могут неблагоприятно сказываться на реакции, катализируемой ферментами В связи с чем обоснованным является введение ферментов в реакционную массу только после того, как достигнуто требуемое значение рН.

Важным фактором в реакциях ферментации является время Для реакции ферментативного катализа первого порядка скорость реакции со временем уменьшается, так как уменьшается доступность субстрата Такие реакции ферментативного катализа требуют достаточно много времени для ее завершения

Химические вещества, способные  оказывать вредное воздействие  на реакцию ферментации, получили название «ингибиторы» В качестве таких веществ  могут выступать металлы (медь, железо, кальций) или соединения из субстратов. Примером ингибитора, связанного с  субстратом, является трипсин —  ингибитор из сои В зависимости от вида воздействия ингибиторы подразделяют на пять групп

• конкурирующие;

• неконкурирующие,

• смешанные,

• специфические;

• неспецифические

Некоторые вещества способны, наоборот, активировать или стабилизировать  ферменты В связи с этим в составе ферментных препара-

тов могут содержаться некоторые химические вещества из числа пищевых добавок (хлорид калия, фосфат натрия, глицерин и др.), введенные для стандартизации активности и повышения стабильности. Некоторые виды ферментных препаратов выпускаются в виде иммобилизованных, нанесенных на твердый или коллоидный носитель.

5.3 Выбор ферментов для пищевых целей

При выборе ферментов для  пищевых производств необходимо учитывать:

•  источник, форму и наличие разрешения на их использование;

•  доступность качественного продукта;

• удобство в использовании (предпочтительны иммобилизованные или растворимые ферменты);

•  стоимость за единицу активности фермента.

Используемые в пищевой  промышленности ферменты имеют широкий  спектр применения, включающий функции  синтеза и разложения (деградации). При выборе фермента для конкретного  пищевого процесса следует принимать  во внимание его источник и биохимические  характеристики, что важно при  сертификации. В табл. 6.5 представлены некоторые области применения ферментов  и уровень их концентрации.

Таблица 4. Применение ферментов в пищевых технологиях

Продукт	Фермент	Назначение	Применяемая форма	Допустимая концентрация или время
Хлебопечение
Злаковые и крахмалы	Амилазы	Ускорение ферментации, улучшение  качества муки для получения буханок  большего объема, улучшение цвета  корки и структуры мякиша	Жидкость или таблетки	0,002-0,006 % к массе муки
	Протеазы	Модификация глютена при выпечке бисквитов; сокращение времени    перемешивания теста	Порошок	До 0,25 % к массе муки
Производств глкозы
	Амилоглюкози- даза	Проведение технологического процесса гидролиза	Жидкость	0,06-0,131% к СВ
Производство   фруктозы
	Глюкозо-изомераза	Конверсия глюкозы во фруктозу	Иммобилизиро-ванные системы	0,015-0,03% к СВ 0,16% к СВ сырья
Пивоварение
Спиртные налитки	Амилазы	Снижение вязкости пульпы	Жидкость	0,025%
		Конверсия крахмала в сахар  для ферментации	»	0,003 %
	Танназы	Удаление полифенолов  Жидкость или порошок	0,03%
	Глюканазы	Улучшение фильтрации	Жидкость	~ 0,1 %   к СВ
		Образование дополнительного  сахара для ферментации		~ 0,1% к СВ
	Целлюла- зы	Улучшение фильтрации за счет гидролиза сложных веществ клеточных оболочек	Жидкость или порошок	- 0,1%
	Протеазы	Обеспечение азота для  дрожжевого брожения, улучшение фильтрации и предотвращение охлаждения	То же	- 0,3 % к СВ
	Диацетил-редуктаза	Удаление диацетилов в         пиве	Жидкость	—
Виноделие
	Пектнназа	Осветление вина	Преимущественно жидкость	0,01-0,02%
	Амило-глюкози-даза	Удаление помутнений, улучшение  фильтрации	Жидкость или порошок	0,002 %                (масса/объем)
	Глюкозо-оксидаза	Удаление кислорода	Порошок/ жидкость	10-70 ГОК 1-1
Производство  кофе
Безалкогольные напитки	Целлюлазы	Расщепление целлюлозы в  процессе сушки	Жидкость или порошок	—
	Пектиназы	Устранение гелеобразных пленок в процессе ферментации	То же	20—50 мг/л
Производство  чая
	Целлюлазы	Разрушение целлюлозы  в процессе ферментации		—
Производство  безалкогольных напитков
	Каталазы	Стабилизация  цитрусовых терпенов	Порошок/ жидкость	В сочетании с глюкозоокси-дазой
	Глюкозо-оксидазы	То же	То же	20-90 ГОК  1-1
Производство  какао
	Пектиназы	Гидролиз шелухи бобов  в процессе ферментации	Жидкость	11-20мг/л
Производство  молока
	Каталаза	Удаление Н2О2	Жидкость или порошок	—
	β-Галакто-зидаза	Предотвращение зернистой  текстуры, стабилизация белка при  замерзании	Иммобилизованные системы	Несколько недель
	Протеазы	Стабилизация сухого молока	То же	То же
Производство  сыров
Продукты животноводства	Протеазы	Коагуляция казеина	Порошок или раствор	~ 0,01-0,15%
	Липаза	Формирование аромата	Жидкость или порошок	~ 1% к СВ
Производство   соков
Фрукты и овощи	Амилазы	Удаление крахмала для  улучшения  выделения сока	Жидкость или порошок	0,0005-0,002 %
	Целлюлазы	Повышение эффективности  выделения сока	Как правило, жидкость	(масса/объем) 0,0002-0,002 % (масса/объем
	Пектиназы	Повышение эффективности  выделения сока	То же	) 0,003-0,03 %
		Направленное осветление	»	0,01-0,02%
	Глюкозо-оксидаза	Удаление кислорода	Порошок/ жидкость	20-200 ГОК 1-1
	Нарингиназа	Устранение горечи цитрусовых	Порошок	—
Производство  овощных консервов
	Амилазы	Приготовление и умягчение  пюре	Жидкость	—
	Пектиназа	Получение гидролизатов	»	—
Производство  мяса и рыбопродуктов
Мясо и другие белковые продукты	Протеазы	Тендеризация мяса	Жидкость	Варьируется для различных применений и различных энзимов
		Получение рыбного гидролизата Улучшение обработки рыбы для сохранения «связанной воды» Удаление рыбьего жира из тканей	»   »     »	~ 2 % от содержания белков ~ 0,2 %
Производство  яичных продуктов
	Липазы	Улучшение процессов взбивания  и эмульгирования	Иммобилизованная система  или порошок	По инструкции
	Протеазы	Улучшение свойств при высушивании	Жидкость или порошок	По инструкции
Экстрагирование растительных масел
	Пектиназь	Расщепление пектиновых веществ для выделения масла	Жидкость или порошок	0,5- 3 % к СВ
	Целлюлазы	Гидролиз веществ клеточных стенок	То же	0,5-2% к СВ
	Целлюлазы	Гидролиз веществ клеточных стенок	То же	0,5-2% к СВ
Гидролиз масел
	Липазы	Получение свободных жирных кислот		~ 2% к СВ
Синтез сложных  эфиров
	Эстеразы	Производство терпеновых эфиров для интенсификации запахов органических кислот и спиртов	Иммобилизованные системы  или порошок	~ 2 % к СВ ~ 2 % э/с на каждую загрузку
Межмолекулярная этерификация
	Липазы	Получение триацил-глицеринов из дешевого кормового сырья	Иммобилизованные системы	~ 1-5% э/с

Примечание. ГОК — глюкозоксидазная единица;  СВ—сухое вещество; э/с — соотношение энзим (фермент)/субстрат.

 

5.4 Правовые аспекты  применения ферментов в пищевых продуктах

Подобно другим пищевым добавкам использование ферментов в пищевых продуктах нормируется законом. В различных странах требования, предъявляемые к ферментам, неодинаковы. Большинство развитых стран следует правилам Объединенного комитета экспертов по пищевым добавкам ФАО—ВОЗ, однако единого соглашения для европейских стран не существует. В Бельгии и Италии ферменты рассматривают как средства переработки. В Греции, Ирландии, Нидерландах и Великобритании не существует контроля за использованием ферментов. Однако в Великобритании источник поставки должен быть официально разрешен регулирующими агентствами. Во Франции и Германии ферменты относят к пищевым добавкам, и если они разрешены во Франции, не требуется разрешения на их использование в Германии. Существуют строгие нормативы на использование ферментов в Дании; разрешение на их использование выдается Датским национальным пищевым институтом. В Канаде энзимы рассматриваются как пищевые добавки и сертифицируются соответственно. В США ферменты могут быть использованы в пищевых продуктах, если имеют статус GRAS («общепринятые, безопасные»). Ферменты, не входящие в этот список, рассматриваются как добавки и могут быть использованы только после разрешения. В Японии коммерческие ферменты рассматривают как синтетические продукты, которые должны быть включены в список Пищевого комитета и подлежат сертификации.

В России ферменты в пищевой  промышленности применяют в соответствии с рядом общих гигиенических  правил.

Для получения ферментных препаратов пищевого назначения в качестве продуцентов используются органы и  ткани здоровых сельскохозяйственных животных, культурных растений, непатогенные и нетоксичные специальные штаммы микроорганизмов бактерий и низших грибов.

Изготовители ферментных препаратов в нормативной и технической  документации обязаны указывать  источник получения препарата и  вид организма — продуцента, давать их характеристику, включая активность (основную и дополнительную).

Ферментные препараты  микробиологического происхождения  не должны содержать жизнеспособных форм продуцентов ферментов. Препараты  бактериального происхождения не должны иметь антибиотической активности. Препараты грибного происхождения  не должны содержать микотоксинов.

Контаминация ферментных препаратов посторонней микрофлорой  не должна превышать следующих лимитов: количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов — не более 5*10⁴ КОЕ/г; не допускаются бактерии группы кишечных палочек в 0,1 г, а патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы и Е. coll, — в 25 г продукта.