Використання ферментів у промисловості

Учениці 10 –Б класу 
ССШ №17 
Тарасової Марго 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Мета проекту:  Визначити наскільки важливі ферменти у промисловості, як і у яких сферах промисловості використовується.

Джерела інформації : 
Література

1. Сметанина Л.Б., Кузнецова  Т.Г., Лисицын Б.А., Кракова В.З. Перспективы развития биотехнологии при производстве мясных продуктов с использованием ферментных препаратов животного происхождения // Всё о мясе. — №4. — 2004. — с. 27 — 30.

2. Бойко О.А., Кузнецова  Т.Г. Воздействие коллагенолитического препарата на структуру мясного сырья//Мясная индустрия. — №4. — 2004. — с.47 — 49.

3. Совершенствование  технологии полукопченых колбас  путём биотехнологической обработки  низкосортного мясного сырья:  Обзорная информация/Хлебников В.И., Жебелева И.А., Волкова Л.Д. — М.:АгроНИИТЭИММП, 1994. — 28с.

4. Биотехнология в  мясной промышленности: Обзорная  информация/Рогов И.А., Хорольский  В.В., Алехина В.А., Липатов Н.Н., Титов  Е.И., Пыльцова Л.А. — М.:АгроНИИТЭИММП, 1986. — 28 с.

5. Enzime in der Fleishverarbeitung / Duckenhuskes Herbert S. // Fleischwirtschaft. — 2000. — 80, №3. — с. 29-33.

6. Совершенствование  технологии полукопченых колбас  путём биотехнологической обработки  низкосортного мясного сырья:Обзорная  информация/Хлебников В.И., Жебелева  И.А., Волкова Л.Д. — М.:АгроНИИТЭИММП, 1994. — 28 с.

7. Криштафович В.И., Жебелева И.А., Толстобоков О.Н., Хвыля  С.И. Микроструктурные изменения  мышечной и соединительной тканей  при ферментировании//Мясная индустрия  . — №2. — 2003. — с. 15-17.

8. Новое в науке  о мясе:Обзорная информация/Савченко А.Ф., Хромова Р.А. — М., ЦНИИТЭИмясомолпром, 1985, 47 с.

9. Батаева Д.С. Создание  и использование коллагенолитического  препарата микробного происхождения  для улучшения качества мясных  продуктов: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.18.04/ВНИИМП. — М., 2001. — 23 с.

10. Антипова Л.В., Зубаирова  Л.А., Першина О.С. Применение ферментного  препарата коллагеназы с целью  снижения жесткости конины // Хранение  и переработка сельхозсырья. —  №12. — 2004. — с. 38-39.

11. Антипова Л.В., Зубаирова  Л.А., Данылив М.М, Пешков А.С. Оценка качества и безопастности мясных продуктов // Всё о мясе — №1 — 2006 — с. 8-9. 
12. Электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2004г.

Сайти:

http://www.rccnews.ru/Rus/FinancialInstitution/?ID=46499 
http://www.rccnews.ru/Rus/Pharmaceuticals/?ID=8062  
http://www.lol.org.ua/ukr/showart.php 
http://www.meatbusiness.ua/article.php?p=648&j=2

 
План проекту.  
1.    Протеїнази  
2.    Амілази і амілоглікозидази  
3.Ферменти та їх використання у м’ясній промисловості 
4. Ферменти та коагулянти молока

   
ВСТУП  
Захоплюючий процес в біотехнології веде до росту кількості  біотехнологічної продукції,  яка використовується в різних галузях промисловості, особливо в фармацевтиці, сільському господарстві і виробництві хімікатів. Біологічні процеси іноді витісняють традиційні етапи хімічного синтезу розчинників, органічних кислот, антибіотиків і інших речовин, що значно понижує вартість їх виробництва і несприятливу дію на навколишнє середовище. А це в свою чергу  сприяє застосуванню біопроцесів в виробництві.  
Поступове збільшення долі біопроцесів добре видно на прикладі  виробництва  біополімерів, особливо  пластмас, що розкладаються біологічно. (http://www.rccnews.ru/Rus/FinancialInstitution/?ID=46499). Є відомості, що до 2010 року біотехнологічна продукція, або продукція, вироблена в результаті використання  біотехнологічних  процесів, буде складати 30  відсотків  півтора трильйонного ринку хімікатів. (http://www.rccnews.ru/Rus/Pharmaceuticals/?ID=8062 ).  
По даним ЮНЕСКО щорічно з надр Землі добувають близько 120 мільярдів тон руд, з яких за розрахунками академіка І. В. Петрянова-Соколова,  тільки 2%  природних матеріалів використовується в промисловому виробництві, а все інше перетворюється в відходи.  За допомогою біотехнологій можливо домогтися ефективнішої і економічно вигіднішої переробки сировини.  
На основі цього важливим є розвиток хімічної біотехнології. В її основі лежить здатність біологічних систем до пізнавання і виконання  каталітичних функцій. Основними перевагами біотехнологічних методів при добуванні хімічних речовин є спрямована специфічна дія ферментів, яка дозволяє здійснювати надзвичайно тонкі перетворення органічних сполук з використанням простих систем, в той час, як аналогічні хімічні перетворення вимагають багатостадійних синтезів; легко відтворювані умови дії ферментів, оскільки вони звичайно функціонують в водних середовищах і при температурах не вище 80єС; невелика кількість побічних продуктів і шкідливих для біосфери відходів (В.Т.Емцов)  
Потрібно пам’ятати, що хімічна біотехнологія лежить в основі промислової і енергетичної біотехнології, дає змогу вирішувати коло питань екологічної біотехнології.  
В цьому розділі мова піде головним чином про принципи, перспективи і технології отримання  хімічної продукції на основі біотехнології.  
 
І.Застосування ферментів в промисловості.  
Застосування ферментів в хімічній  технології звичайно буває обумовлено їх високою вибірковістю і стереоспецифічністю, але ці властивості не завжди є бажаними. Наприклад, деколи  необхідні ферменти з широкою субстратною специфічністю для виробництва аналогів основного продукту. Перевага технології на основі ферментів перед хімічними каталізаторами  заключається в тому, що відносно в м’яких  умовах можна досягти більш високих результатів. (Д.Бест биотехнология и химия). Також особливістю є невелика кількість шкідливих  для біосфери відходів і побічних продуктів, що є в сьогоднішній час необхідним для збереження нормального екологічного стану навколишнього середовища.   
На сьогоднішній день виявлено більше 3000 різних видів ферментів. (http://www.lol.org.ua/ukr/showart.php)  
Біотехнологи вважають за краще використовувати позаклітинні ферменти.  Вони простіше піддаються перетворенням в промислові препарати, оскільки в  них не потрібно руйнувати стінки мікробних клітин. 
В промислових  технологіях дуже популярними є гідролітичні ферменти. Яскраво виражена специфічність гідролаз дозволяє отримувати готові продукти  високої чистоти.  
 Широке застосування ферменту ізомерази пояснюється тим, що він перетворює глюкозу в фруктозу, в результаті чого утворюється глюкозо-фруктозний сироп, який практично замінює цукор в ряді процесів харчової промисловості. Можна перечислити  багато інших сфер застосування ферментів. Наприклад, в шкірній промисловості для пом’якшення шкір, вимочування льону, обезжирювання шовку-сирцю виробництво добавок для кормів, що є  важливим для тваринництва, і т.д. (http://www.lol.org.ua/ukr/showart.php)  
Особливо високі результати в виробництві різних речовин можливо отримати при за допомогою іммобілізованих ферментів.( В.Т.Емцев, Рубежи...)  
Сьогодні в промисловості використовуються різні ферментні препарати. Розглянемо препарати, які створені на протеїназах, глюкозоізомеразі, амілазах і амілоглюкозидазах.  
1.Протеїнази.  
Спочатку їх виділяли з тварин. Сьогодні їх все більше заміщують мікробіальні протеїнази. Першим ферментом, який знайшов застосування в промисловості була α-амілаза із Aspergillus orizae. Ці продукти містили значні домішки протеази і їх рекомендували використовувати як засоби, що сприяли травленню. Також на основі протеїназ створюють засоби для замочування білизни. Вперше такі засоби були у продажі вже в 1913 році. В кінці 60-х років приблизно 50 % всіх детергентів, які випускались в Європі і США, вже містили протеази. Ще одна галузь,0 де спостерігався бурний розвиток технологій  на основі протеаз – це виробництво сиру. Тут  всі зусилля були спрямовані на пошук замінників  сичуга телять. Для вироблення протеаз в промисловому масштабі потрібні штами мікроорганізмів, що синтезують позаклітинні протеази з високим виходом.  
Протеази поділяють на три групи: серинові, кислі і металопротеази. Серед серинових протеаз  на першому місці стоїть субтилізин. Важливим є те, що серинові протеази не гідролізують білки до амінокислот.  
В склад  металопротеази входить атом металу, звичайно цинку, без якого фермент не активний. В промисловості металопротеази добувають за допомогою Bacillus amiloliquefacies i B.termoproteolyticus. Специфічність дії цих ферментів вища, ніж у серинових протеаз, але їх не можна використовувати як сичуг, так як рівень специфічності в них все ж високий.  
Вони використовуються в пивоварінні, при гідролізі білків ячменю, так як серинові протеази інгібуються речовинами солоду. Видалення з їх допомогою солоду запобігає помутнінню пива, яке проходить при взаємодії білків з танінами при охолодженні.  
Кислі протеїнази. Вони синтезуються грибами. По своїм властивостям вони схожі на травні ферменти тварин – пепсин і ренін. Застосовують їх для гідролізу білку при виробництві соєвого соусу, в хлібопекарній промисловості, як засоби, які сприяють травленню і т.д.  
Деякі кислі протеази можна використовувати в виробництві сиру. Більшість протеаз викликає згортання молока, але сир виходить несмачним із-за глибокого гідролізу казеїну. Субстрат на специфічність кислих протеаз термофільних грибів,  Mucor pusillus i M. michei, вужча. Вони схожі на ферменти сичуга  і широко застосовуються  для сторожування молока. Вже отримана експресія гену реніну телят в мікроорганізмах і тепер кишкова паличка може синтезувати ці ферменти.  
Протеази знаходять застосування в обробці шкір  при видаленні шерстинок і пом’якшенні. Така обробка робить шкіру м’якшою і еластичнішою.  
2.Амілази і амілоглюкозидази.  
  Використання ферментів в виробництві  крохмалю дозволяє контролювати глибину його гідролізу і отримувати продукцію з бажаними властивостями: в’язкістю, осмотичним тиском, стійкістю до  кристалізації. Гідроліз каталізується ферментами трьох різновидів: ендоамілазами, екзоамілазами і α-1,6-глюкозидазами.  
Ендоамілази – це α-амілази. Які розщеплюють α-1,4-глюкозидні зв’язки амілазі і амілопектині з утворенням олігосахаридів з різної довжини ланцюгами і α-конфігурацією при С₁  атомі глюкози. Для зрідження крохмалю при високій температурі використовують термостабільні α-амілази.  Наприклад амілази Bacillus licheniformis температурний оптимум лежить при 92 єС. Для зрідження крохмаль диспергують у воді при нагріванні, для зменшення в’язкості  і для  запобігання осіданню крохмалю при охолодженні проводять частковий його гідроліз. При одностадійному розрідженні фермент   добавляють на самому початку, до приготування суспензії, яке проводять при 150 єС на протязі 5 хвилин, після чого гідроліз ведуть 2 години при 95 єС.  
При кисло-ферментному зрідженні фермент після желатинування крохмалю, викликаного нагріванням.  
Сиропи, що добувають з крохмалю, містять  багато мальтози (40-50%). Знаходять застосування в виробництві карамелі і заморожених десертів.  
Екзоамілази розщеплюють α-1,4-глюкозидні зв’язки, α-глюкогенні  амілази гідролізують α-1,6-глюкозидні зв’язки в розгалужених молекулах олігосахаридів. Для промислових цілей Глюкоамілази отримують із Aspergillus niger або Risopus sp. Це низько специфічні ферменти, які гідролізують зв’язки α-1,3 і α-1,6 повільніше ніж α-1,4. Вони стабільні в широкому діапазоні рН і більш активні при 75 єС, хоча частіше функціонують при 65 єС. В препаратах цих ферментів присутні забруднюючі домішки трансглюкозилази, яка каталізує утворення олігомерів глюкози, що не зброджуються. Це може суттєво понижувати вихід глюкози.  
Глюкоамілази застосовуються в основному в виробництві концентрованого сиропу (90-97% D-глюкоза), з якого отримують кристалічну глюкозу. Також вони застосовуються при виробництві сиропів з високою ступінню конверсії (35-43% глюкози, 30-37% мальтози і 8-13 % мальтотріози) для харчової промисловості.  
Ферменти та їх використання у м’ясній промисловості

Лизова В.Ю, БашкІрова А.К.

В останні  роки спостерігається чіт ка тенденція  пошуку, розробки та використання нових  методів обробки харчової сировини. Використання ферментних препаратів надає  широкі можливості для вдосконалення  технологічних процесів, скорочення тривалості виробництва та підвищення якості продукції.

Досвід практичного  використання ферментів для обробки  м’ясної сировини свідчить про те, що цей метод дозволяє забезпечити  раціональне використання м’ясних  ресурсів, інтенсифікувати виробництво  продуктів, підвищити їх якість і збільшити вихід готової продукції.

Ферментні препарати, які застосовуються для покращення якості м’яса, повинні мати такі властивості:

• викликати зміни сполучної тканини (розщеплювати мукопротеїдний комплекс, сприяючи зменшенню стійкості сполучної тканини до нагрівання, стимулювати гідроліз колагену та еластину);
• слабко діяти на м’язову тканину;
• мати більш високий температурний оптимум дії, зберігаючи здатність змінювати тканину при тепловій обробці;
• діяти у слабкокислому чи нейтральному середовищі з максимальною активністю;
• бути безпечними для людини.

Існує кілька способів обробляння м’ясної сировини ферментними препаратами:

• аерозольний;
• занурення порційних шматків м’яса у ферментний розсіл;
• ін’єктування ферментного розчину;
• поверхнева обробка м’яса порошкоподібними препаратами.

Зараз відомо близько 3000 ферментів, однак лише деякі  використовуються як каталізатори технологічних  процесів при виробництві харчових продуктів. Наприклад, протеази в основному  використовують для відокремлення залишків м’яса від кісток, а також для надання м’ясу ніжності.

Застосування  ферментних препаратів у процесі  переробки м’яса дозволяє значно прискорити ряд біохімічних реакцій  та відкриває цікаві перспективи  модифікації та інтенсифікації процесів переробки, прискорюючи пом’якшення та збільшуючи ніжність тканин. У м’ясній промисловості використовують три групи ферментів: натуральні м’ясні, натуральні мікробіологічного походження та виділені з рослинних і тваринних джерел. Кожна група характеризується оптимальними умовами та діапазоном використання.

У літературі зустрічаються численні відомості  про те, що ферменти рослинного походження діють на волокна сполучної тканини, але не на нативний колаген, а на денатурований при нагріванні. Оптимальна активність цих ферментів проявляється за температури близько 50°С. Рослинні протеази спочатку руйнують мукополісахариди основної речовини тканини, потім перетворюють волокна сполучної тканини на аморфну масу.

Серед протеолітичних ферментів, які виділяють з рослинної  сировини, найбільше розповсюдження отримали бромелін з ананасів, фіцин з інжиру, папаїн з динного дерева.

Бромелін  та фіцин здатні впливати на структуру  м’язової та сполучної тканин, прискорюючи  процеси дозрівання м’яса. Крім того, вони діють на внутрішньоклітинні білки м’язових волокон, у тому числі на актиміозин. Протеїназа з плодів ананасу має оптимум дії за рН від 6,0 до 7,0 од., термостабільна, володіє високою колагеназною та еластазною активністю. Фіцин має оптимум дії за рН 7,0 та температури від 60°С до 65°С. За нижчих температур проявляє сильний гідролітичний вплив на м’язову тканину, розщеплює денатуровані еластин і колаген.

Папаїн каталізує  гідроліз амідів, пептидів, білків та складних ефірів основних амінокислот, є активним як у кислотних, так і в нейтральних та лужних середовищах. Оптимальний діапазон дії знаходиться за рН від 5,0 до 8,0. Зберігає свою активність у широкому температурному діапазоні — від 50°С до 60°С. Спектр застосування папаїну достатньо широкий: харчова, фармацевтична промисловість, обробка шкур тощо. Плоди динного дерева використовують для приготування супів та печені, а найбільш жорстке м’ясо, загорнуте у листя цієї рослини, за кілька годин стає м’яким.

Найбільш  дешевим і доступним джерелом протеолітичних ферментів є різні  види мікроорганізмів: бактерії, актиноміцети, водорості, дріжджі та мікроскопічні гриби. Протеолітичні ферменти мікробного походження діють в основному на білки м’язової тканини. Разом з цим відомі деякі протеази, які володіють комплексною дією та проявляють активність також до колагену та еластину. Нижче наведено характеристики деяких з них.

З культуральної  рідини Bacillus mesentricus 316 M виділено комплексний  ферментний препарат з високою протеолітичною активністю щодо фібрилярних білків, у тому числі колагену та еластину.

З відходів виробництва  антибіотиків вилучили протеолітичний комплекс культури Streptomyces griseus. Він  характеризувався високою казеїнолітичною  активністю, гідролізуючи при цьому  гемоглобін, альбумін, еластин, колаген та желатин. Щодо колагену та еластину активність цього комплексу була невеликою. З цієї культури були отримані й високоочищені препарати протелін та римопротелін, основу яких складав набір протеаз з різною специфічністю, завдяки чому відбувався гідроліз багатьох білків на 70-80%. Обидва препарати пройшли виробничу апробацію з метою покращання якості м’яса та м’ясних виробів.

Заслуговують  на увагу результати успішного використання протеолітичних ферментів (отриманих  з Aspergillus terricola та Aspergillus oryzae) під час посолу оселедця. Протеази додавали у тузлук у кількості 0,1-0,2% до маси риби. Процес дозрівання під впливом ферментів супроводжувався пом’якшенням консистенції риби. Дослідні зразки дозрівали на 37-й день (розділений оселедець) і на 64-й день (нерозділений), а контрольні — на 20-30 діб пізніше.

О.М. Старчевой  досліджував посол м’яса з  використанням протеолітичного  препарату прототеризину під  час виробництва пастеризованих консервів. Встановлено, що протеоліз відбувається активніше у 8% — ому розсолі, ніж у 12%-ому. Застосування ферментного препарату забезпечує підвищення набухання м’язової тканини на 15,7-17,2% та підвищення вмісту зв’язаної вологи на 11,6-15,0% щодо контролю. Під час пастеризації яловичини кількість слабко зв’язаної вологи підвищується в середньому удвічі, вміст зв’язаної вологи зменшується на 7-9%.

У м’ясі яловичини, посоленому з прототеризином, втрати азотвмісних речовин менше на 1 — 6%, ніж у контролі. Ферментний препарат позитивно впливає на формування ароматичних та смакових показників пастеризованого продукту, при цьому підвищується вміст вільних амінокислот на 37,1-78,2%, карбонільних сполук — на 53,2-68,0%, летючих жирних кислот — в 1,6-2,1 рази. За результатами досліджень було науково обґрунтовано технологічні параметри виробництва яловичих пастеризованих консервів шинкового типу.

Слід зазначити, що ці протеолітичні ферменти не отримали широкого застосування, зокрема у  зв’язку з недостатньою активністю щодо нативного колагену та високою активністю щодо м’язових волокон. Очевидна доцільність використання ферментних препаратів, які володіють високою колагеназною активністю та усувають негативний вплив сполучної тканини на консистенцію продукту. Таким ферментом, здатним атакувати нативний колаген та розщеплювати пептидні зв’язки на певних ділянках молекули колагену, є колагеназа.

Відомі колагенази бактеріального та тваринного походження. До перших належить колагеназа, яку  синтезує Clostridium histoliticum, Achromobacter iophagus та Serratia proteamaculans. Вони гідролізують зв’язок Х’ — Gly — Hro — Y та здатні розщеплювати ланцюжок колагену на більше ніж двохстах ділянках.

Біологічно  активний ферментний препарат колагенази (ФМП — МП), розроблений вченими  ВНДІМПу, продуцентом якого є Serratia proteamaculans — 94, у концентрації 0,15% вносили до охолодженої м’ясної сировини з високим вмістом сполучної тканини (яловичина І сорту), а також до напівсолоних напівфабрикатів на різних стадіях технологічного процесу — шприцюванні, масуванні, дозріванні у посолі та готового продукту. Дослідні зразки після шприцювання та масування розсолом, який містив ферментний препарат, витримували у посолі впродовж 48 год. за температури (2-4)°С.

Характер  мікроструктурних змін у м’ясній  сировині при використанні ферментного препарату суттєво не змінювався, відбувалося лише прискорення розвитку та вираженість цих змін, що передбачало отримання продуктів високої якості у малі терміни. Внесення 0,15% ферментного препарату збільшувало засвоєння білків in vitro на 20,6% у порівнянні з контрольним зразком. Це можна пояснити тим, що під дією ферментного препарату відбувався частковий гідроліз білків, який спричиняв підвищення лабільності на дію протеаз шлункового тракту. Використання ферментного препарату сприяло покращанню органолептичних показників, у тому числі консистенції, соковитості та аромату продукту, що пов’язано з накопиченням карбонільних та летких жирних сполук. Крім того, було визначено, що під дією ферментного препарату на м’ясну сировину за умов соління та дозрівання збільшувалася вологозв’язуюча здатність на 18-20%, при цьому розварюваність колагену зростала на 29-30%. У сполучній тканині у процесі соління та дозрівання м’ясної сировини при використанні розробленого ферментного препарату відбувалося розволокнення колагенових пучків, набухання, фрагментація та частковий лізис їх волокон, а у мікроструктурі м’язової тканини використання цього препарату не викликало суттєвих змін. Встановлено, що використання ферментного препарату у кількості 50-100 г на 100 кг подрібненого м’яса та 100-150 г на 100 кг шматкової м’ясної сировини сприяло її пом’якшенню та покращенню інших якісних показників.