Общие сведения о ферментах

Модуль 1

Модульная единица 6

Ферменты

Цель изучения модульной единицы 6

Выяснить роль окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов в технологии переработки сельскохозяйственного сырья, разобраться в их свойствах, рассмотреть вопросы практического применения ферментов в пищевых технологиях.

Модульная единица 6 включает 2 лекции (№7 и №8).

Аннотация к лекциям 7,8

Даны общие сведения о ферментах: их источниках, областях применения наиболее важных ферментов, специфичности и классификации ферментов. Рассмотрены представители трех подклассов гидролитических ферментов (эстераз, гликозидаз, пептидгидролаз), их свойства и роль в превращениях основных компонентов пищевого сырья.

Дана характеристика представителей окислительно-восстановительных ферментов: указаны их роль, механизм действия и значение при хранении и переработке сырья. Рассмотрены вопросы применения ферментных препаратов в пищевых технологиях.

Ключевые слова:

Специфичность, гидролазы, эстеразы, липаза, пекинэстераза; гликозидазы – эндополигалактуроназа, экзополигалактуроназа, целлобиогидролаза, эндоглюканаза, α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза, α-глюкозидаза, пуллуланаза, изоамилаза, инулиназа, β-галактозидаза, фруктофуранозидаза; экзопептидазы – аминопептидазы, карбоксипептидазы, эндопептидазы – сериновые, тиоловые, карбоксильные, металлосодержащие, оксидоредуктазы – полифенолксидаза (тирозиназа), каталаза, пероксидаза, липоксигеназа, глюкозооксидаза.

Лекция 7

Рассматриваемые вопросы

1. Общие сведения о ферментах

2. Гидролазы. Их свойства и роль в превращениях компонентов пищевого сырья

2.1. Эстеразы

2.2. Гликозидазы

2.3. Протеазы (пептидгидролазы)

Общие сведения о ферментах

Применение ферментов нельзя назвать достижением современности: они использовались на протяжении веков при дублении кож, изготовлении сыра, в производстве солода для пивоварения, в заквасках для хлеба и т.д. В этих процессах ферменты применялись в составе животных и растительных тканей или целых микроорганизмов. Начало применения промышленных ферментов в виде частично очищенных препаратов относится к концу XIX столетия.

Из более чем 2000 известных в настоящие время ферментов в промышленности используется около 30. Основная часть ферментов, поступающих на мировой рынок, приходится на долю гидролаз, из которых 60% составляют пептидогидролазы (в основном щелочные и нейтральные протеазы), использующиеся в качестве детергентов а производстве синтетических моющих средств, а 30% – гликозидазы, применяющиеся в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков. Ферменты находят применение в текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, медицинской, химической промышленности (табл. 7.1).

По прогнозам ученых, основным потребителем ферментов в ближайшем будущем остается пищевая промышленность. Главное место среди этих энзимов занимают гликоизомераза и глюкоамилаза, применяющиеся для приготовления обогащенных фруктозой кукурузных сиропов и составляющие около 50% рынка пищевых энзиматических препаратов.

В настоящие время многие отрасли промышленности – хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство спирта, сыроделие, производство органических кислот, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков – основано на использовании различных ферментативных процессов. В связи с этим возникла и развивается новая отрасль промышленности – производство ферментных препаратов.

Производство ферментных препаратов занимает одно из ведущих мест в современной биотехнологии и относится к тем её отраслям, объем продукции которых постоянно растет, а сфера применения неуклонно расширяется. По объему производства ферментов доминируют страны Западной Европы. Резкий рост этой индустрии наблюдается в США и Японии.

Ферменты присущи всем живым существам, однако для их выделения используют те природные продукты, в которых содержание искомого энзима составляет не менее 1 %. Для крупномасштабного получения ферментов пригодны только некоторые растительные организмы на определенной фазе их развития (проросшие зерно различных злаков и бобовых, латекс и сок зеленой массы ряда растений), а также отдельные ткани и органы животных (поджелудочная железа, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта, сычуг крупного рогатого скота, семенники половозрелых животных). Практически не ограниченный источник ферментов – микроорганизмы (бактерии, грибы, дрожжи), содержащие набор большинства известных в настоящие время энзимов, количество которых можно повысить в десятки и сотни раз методами мутагенеза, селекции и индукции биосинтеза.

Таблица 7.1 Применение ферментов

Название и шифр фермента	Источники ферментов	Химический и биотехнологический процессы. Область использования
Амилазы (КФ3.2.1.1 КФ3.2.1.2 КФ3.2.1.3) Глюкоизоме-раза (КФ5.3.1.18) Гюкооксидаза (КФ1.11.1.6) и каталаза (КФ1.11.1.6) Липазы (КФ3.1.1.3) Пектиназа (КФ3.2.1.15) Пептидгидролазы (КФ3.4) Целлюлазы (КФ3.2.1.4) Фруктофуранозидаза (КФ 3.2.1.26)	Бактерии, грибы (Bacillus sp., Aspergillus niger, A. oryzae) Более 80 видов микроорганизмов (Bacillus sp., Streptomyces albus, S. griseus) Pinicillium chrysogenum, P.casei, P.nigricans, P.notatum, P.vitale, Aspergillus niger, Corynebacterium sp.) Поджелудочные железы животных, семена растений, микроорганизмы (Candida lipolytica, Streptomyces flavogriseus, Aspergillus ssp., Saccharoyces lipolytica) Многие микроорганизмы (Aspergillus ssp., Fusarium ssp., Pinicillium ssp. и др.) Поджелудочные железы и слизистая желудка животных; плоды, побеги, отходы переработки некоторых растений (дынное дерево, инжир, ананас), микроорганизмы (Bacillus sp., Aspergillus ssp., Pinicillium ssp., Streptomyces ssp., Pseudonas ssp.) Микроорганизмы: Clostridium ssp., Trichoderma reesei, T. viridae, Alternaria tenuis, Aspergillus oryzae, Fusarium culmorum Микроорганизмы: Aspergillus ssp., Pinicillium ssp., Fusarium ssp., Cercospora beticola, Bacillus subtilis, E. coil, Saccharoyces cerevisiae, Streptococcus mutans.	Гидролиз крахмала до декстринов, мальтозы и глюкозы. Спиртовая, пивоваренная промышленность, хлебопечение, получение патоки, глюкозы Изомеризация D-глюкозы в D-фруктозу. Кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, хлебопечение Удаление кислорода и глюкозы (из яичного порошка, мясных и других продуктов). Виноделие, пивоварение, консервная, соковая и безалкогольная промышленность Гидролиз жиров и масел. Пищевая, легкая, медицинская промышленность, сельское хозяйство, коммунальное хозяйство, бытовая химия Гидролиз галактуронана, осветление вина и фруктовых соков Лизис белка. Получение аминокислот, производство и получение сыра, мягчение мясных и рыбных изделий, выделка кожи, активизация пищеварения. Пивоварение, виноделие, хлебопечение, пищевая промышленность, сельское хозяйство, медицина Гидролиз целлюлозы до глюкозы. Производство пищевых и кормовых белковых препаратов, этанола, глюкозо-фруктозных спиртов. Спиртовая, пивоваренная, пищеконцентратная промышленность, хлебопечение, кормопроизводство Инверсия сахарозы. кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, сиропопроизводство.

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы. Они значительно повышают скорость химической реакции, которые в отсутствии ферментов протекают очень медленно. При этом ферменты не расходуются и не претерпевают необратимых изменений.

Важнейшее биологическое свойство ферментов – специфичность. Специфичность ферментов характеризует их способность катализировать определенные типы превращений тех или иных субстратов.

Фермент может катализировать более одного типа превращений. Так, многие карбогидразы (целлюлазы, β-глюказидазы, глюкоамилаза, β-галактозидаза) катализируют как гидролиз полисахаридов, так и перенос гликозильных остатков на углеводные субстраты.

Ряд ферментов обладает абсолютной субстратной специфичностью, то есть катализирует превращение только одного субстрата. Примеры таких ферментов – глюкозооксидаза, многие дегидрогеназы.

Известны ферменты широкой субстратной специфичности, такие как липазы, эстеразы, фосфатазы.

Распространены ферменты так называемой групповой специфичности, то есть такие, которые превращают ряд субстратов, обладающих характерным признаком. Так, α-амилаза гидролизирует линейные и разветвленные полимеры α-1,4-связанной глюкозы, химотрипсин – пептидные связи в белках, образованные остатками ароматических аминокислот.

Большинство ферментов проявляют абсолютную стереоспецифичность, превращая только L- или только D-форму субстрата. Стереоспецифичность проявляется также в отношении цис- и транс-формы изомеров.

Современная классификация ферментов делит их на шесть классов по типу катализируемых реакций. Деление внутри классов основано на более подробной характеристике катализируемой реакции и её субстратной специфичности.

Классы ферментов:

1 класс – оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (присоединение О₂, отнятие и перенос Н₂, перенос электролитов);

2 класс – трансферазы – ферменты переноса. Катализируют перенос целых атомных группировок с одного соединения на другое (например, остатков моносахаридов, аминокислот, остатков фосфорной кислоты, метильных и аминных групп и т.д.);

3 класс – гидролазы – ферменты, катализирующие реакции гидролиза, то есть расщепления сложных органических соединений на более простые с участием воды.

4 класс – лиазы – ферменты, катализирующие реакции негидролитического отщепления каких-либо групп от субстрата с образованием двойной связи или присоединение группировок по месту разрыва двойной связи (например, Н₂О, СО₂, NH₃ и т.д.);

5 класс – изомеразы – ферменты, катализирующие реакции изомеризации, то есть внутримолекулярного переноса химических группировок и образования изомерных форм различных органических соединений;

6 класс – лигазы (синетазы) – ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряженные с разрывом высокоэнергетической связи АТФ и других нуклеозидрифосфатов (при этом возможно образование С–С-; С–S-; С–О-; и C–N- связей).

В табл. 7.2 представлены шифры, принятые для различных ферментов, их систематические и тривиальные названия. В таблицу включены лишь ферменты, имеющие принципиальное значение при хранении, переработке сырья и в производстве пищевых продуктов. В дальнейшем, везде где это возможно, будут применяться тривиальные названия.

Внимание технологов, перерабатывающих биологическое сырье, привлекают прежде всего ферменты первого класса – оксидоредуктазы, а также третьего класса – гидролазы, поскольку при переработке пищевого сырья происходит разрушение клеточной структуры биологического материала, повышается доступ кислорода воздуха к измельченным тканям и создаются благоприятные условия для действия ферментов типа оксигеназ, а также освобождаются гидролитические ферменты, которые активно расщепляют все основные структурные компоненты клетки (белки, липиды, полисахариды), в связи с чем процессы клеточного содержимого (процессы автолиза, самопериваривания) становятся преобладающими.

Остановимся на рассмотрении отдельных представителей этих двух важнейших для пищевой промышленности классов ферментов

Таблица 7.2. Номенклатура ферментов, имеющих значение в пищевой промышленности

Шифр	Систематическое название	Тривиальное название
Оксидоредуктазы
1.1.3.4 1.11.1.6 1.14.18.1	β-D-глюкоза: О₂-оксидоредуктаза Н₂О₂: Н₂О₂-оксидоредуктаза Монофенол, дигидрооксифенилаланин: О₂-оксидоредуктаза	Глюкозооксидаза Каталаза Монофенолоксидаза, полифенолоксидаза, тирозиназа, фенолаза
Гидролазы
3.1.1.3. 3.1.1.11 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.1.4 3.2.1.15 3.2.1.20 3.2.1.21 3.2.1.23 3.4.23.1 3.4.23.4 3.4.21.4 3.4.21.1 3.4.22.5 3.4.21.1 3.4.21.6 3.4.22.6 3.4.22.3 3.4.22.14 3.4.23.6 3.4.24.3	Триацилглицерол – ацилгидролаза Пектин – пектилгидролаза 1,4-α-D-глюкан глюканогидролаза 1,4-α-D-глюкан мальтогидролаза 1,4-α-D-глюкан глюкогидролаза 1,4-β-D-глюкан-4-глюкангидролаза Поли-α-1,4-галактуронид-гликаногидролаза α-D-глюкозид глюкогидролаза D-глюкозид глюкогидролаза β-D-глюкозид галактогидролаза – – – – – – – – – – – –	Липаза, триацилглицероллипаза Пектинэстераза α-амилаза β-амилаза γ-амилаза, глюкоамилаза Целлюлаза Полигалактуроназа α-гликозидаза β-гликозидаза Лактаза, β-галактозидаза Пепсин Химозин (реннин) Трипсин Химотрипсин Эластаза Папаин Химопапаин Фицин Бромелаин Субтилизин Кислая протеиназа Коллагеназа
Изомеразы
5.3.1.9	D-глюкозо-6-фосфат-кетоизомераза	Глюкозоизомераза, глюкозофосфат-изомераза