Биохимические процессы

Биохимические процессы протекают при участии ферментов и имеют большое практическое значение, так как лежит в основе технологий получения хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков. Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, плодов, овощей жира, жиросодержащих продуктов и др.).

Зная характер протекания биохимических процессов в пищевом сырье, можно установить те или иные особенности процесса, определить дефекты данной партии сырья, наметить наиболее правильный режим технологического процесса.

Кинетика биохимических процессов зависит от ряда факторов: химической природы реагирующих веществ, концентрации самого фермента и субстрата, температуры и реакции среды рН, наличие активаторов и ингибиторов.

Скорость биохимических процессов зависит от природы субстрата и его атакуемости. Под атакуемостью понимаем его податливость действию фермента, которая зависит от структуры субстрата. Например, атакуемость амилазами крахмала, полученного из зерна различных культур или из разных частей одного и того же зерна, неодинакова. Она увеличивается с уменьшением размера крахмальных зерен, т.е. с увеличением их относительной поверхности, а также при механическом воздействии на структуру зерен крахмала, например, при длительном помоле зерна.

Атакуемость белка протеиназами зависит от строения белковой молекулы: чем плотнее и прочнее структура белка, тем ниже его атакуемость ферментами. Количество в молекуле определенных химически групп, например сульфгидрильных, аминных и др., влияет на атакуемость белка. Если эти группы каким-то образом блокировать, то меняется атакуемость субстрата ферментами. При восстановлении дисульфидных групп белка пшеницы в сульфгидрильные увеличивается атакуемость белка и возрастает скорость его расщепления.

Скорость биохимических процессов зависит от концентрации самого фермента и реагирующих веществ. При избытке субстрата скорость реакции определяется, прежде всего, концентрацией фермента: чем она выше, тем быстрее идут реакции.

При невысоких концентрациях субстрата зависимость скорости реакции от концентрации участвующих в реакции веществ носит линейный характер, т. е. с увеличением концентрации субстрата она возрастает. Однако по мере увеличения концентрации реагирующих веществ скорость реакции замедляется, достигает максимального значения и в дальнейшем остается постоянной. В то же время большие концентрации субстрата могу выполнять роль ингибитора. В итоге скорость реакции падает.

Наиболее существенное влияние на активность ферментов и скорость биохимических процессов оказывают температура и реакция среды. С повышением температуры активность ферментов возрастает, достигает максимума, а затем снижается. Оптимальной для действия фермента является та температура, при которой его активность наибольшая. Температурный оптимум для ферментов растительного происхождения составляет около 40…50 °С. Снижение активности фермента при высоких температурах связанно с процессами денатурации белка. Полное прекращение деятельности фермента происходит при температурах, близких к 100 °С, однако это не относится к термофильным ферментам, которые выдерживают кратковременное нагревание при температуре выше 100 °С.

Каждый фермент проявляет свое действие в узких пределах значений рН. В определенной зоне активность фермента наибольшая, эта зона называется оптимальной зоной рН. Разные ферменты сильно отличаются по оптимальным для их действия значениям рН. Одни из них имеют наибольшую активность в кислой среде, другие — в нейтральной, третьи — в щелочной. Пепсин желудочного сока имеет оптимум действия при рН 2,0, солодовая a-амилаза —при рН 4,7...5,2. Оптимальное значение рН для действия ферментов зависит в основном от субстрата. Например, при действии папаина на желатин оптимальное значение рН 5,0, а при действии на денатурированный яичный альбумин — 7,5.

Скорость биохимических процессов может быть увеличена в присутствии активаторов. Многие ферменты активизируются под действием соединений восстанавливающего действия, в частности веществами, содержащими сульфгидрильные группы: цистеином, глютатионом. Глютатион может быть в двух формах: окисленной и восстановленной, активатором является восстановленная форма. Активизирующее действие этих соединений основано на том, что они восстанавливают дисульфидные связи фермента в сульфгидрильные, необходимые для проявления ферментом своей каталитической активности, а сами при этом окисляются за счет превращения сульфгидрильных связей в дисульфидные.

Существуют и ингибиторы ферментов, подавляющие их активность. Действие ингибиторов основано на блокировании сульфгидрильных связей фермента и превращении их в дисульфидные группы. Ингибирование фермента может происходить под действием так называемых белковых осадителей — веществ образующих с белками нерастворимые осадки. Такими веществами являются соли тяжелых металлов (свинца, ртути, вольфрама) трихлоруксусная кислота и др. Эти соединения не являются специфическими, и любое из них может быть использовано для осаждения фермента и полного прекращения его действия. Однако существуют специфические ингибиторы. Оксид углерода СО, например, ингибирует ряд окислительно-восстановительных ферментов, в состав которых входит железо или медь.

Ферменты (энзимы) — органические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью к субстрату. Они обеспечивают последовательность и взаимосвязанность многих сложных биохимических превращений в клетках растений, животных и микроорганизмов.

По строению все ферменты можно разделить на две группы: ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами, и являющиеся однокомпонентными; ферменты состоящие из белковой части (апофермента) и связанного с ней органического вещества небелковой природы, называемого простетической группой. Эти ферменты являются двухкомпонентными. Апофемент оказывает решающее действие на специфичность фермента, а соединение белка с простетической группой приводит к огромному возрастанию его каталитической активности. Основная масса ферментов являются двухкомпонентными.

Простетическими группами многих ферментов являются витамины и их производные, например, простетические группы ряда окислительно-восстановительных ферментов содержат производные ниацина (витамина РР) или рибофлавин (витамин В₂). В состав простетических групп ферментов могут входить производные витаминов В₁, В₆, В₁₂, а также пантотеновая, фолиевая кислоты и биотин.

В состав многих ферментов входят металлы, придающие им активность. Такие металлы называются кофакторами. Например, кофактором a-амилазы является кальций, а каталазы — железо. Ряд ферментов усиливает свою активность в присутствии магния, марганца, цинка, меди, молибдена.

Характерной особенностью ферментов является их высокая каталитическая активность, в значительной степени превосходящая активность химических катализаторов. Ферменты обладают способностью ускорять реакции в 10⁸...10¹¹ раз. Механизм действия ферментов, как и химических катализаторов, связан с тем, что они снижают энергию активации, необходимую для осуществления определенной реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют значительно меньше энергии активации. Однако ферменты гораздо сильнее понижают энергию активации, чем химические катализаторы. Например, для гидролиза сахарозы с образованием глюкозы и фруктозы без участия катализатора необходима энергия активации около 32 000 калорий на грамм-молекулу. Если реакция катализируется неорганическим катализатором НСl, то энергия активации составляет 25 600 калорий, а если происходит ферментативный катализ, то она снижается до 9400 калорий.

Второй особенностью ферментов является избирательность их действия. Например, инвертаза разлагает сахарозу, но не действует на другие дисахариды, в частности мальтозу, т. е. некоторые ферменты катализируют превращение практически только одного какого-либо вещества.

Многие ферменты действуют только на определенный вид связей. Например, пепсин гидролизует пептидные связи в молекуле белка, образованные ароматическими аминокислотами. Ряд ферментов катализирует определенные группы реакций. Так ферменты, называемые липазами, катализируют гидролиз любых сложных эфиров, включая и жиры.

Третьим свойством, отличающим ферменты от химических катализаторов, является их большая лабильность, т. е. чувствительность к внешним воздействиям среды (влиянию температуры, концентрации водородных ионов, наличию активаторов и ингибиторов и др.).

Достоинством ферментов перед химическими катализаторами является то обстоятельство, что они действуют при нормальном давлении и при относительно низких температурах —от 20 до 70 °С.

По типу катализируемой реакции все ферменты делятся на шесть классов:

- оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции;

- трансферазы (ферменты переноса), катализирующие реакции переноса метильных или аминогрупп от субстрата (донора) к акцептору. Такими группировками могут быть остатки фосфорной кислоты, аминокислот, сахаров и др.

- гидролазы, осуществляющие реакции гидролиза, т. е. расщепления различных сложных соединений (субстратов) при участии воды на более простые;

- лиазы, катализирующие негидролитическое расщепление субстратов и отщепление от них тех или иных групп;

- изомеразы, катализирующие превращения органических соединений в их изомеры;

- лигазы (ранее называвшиеся синтетазами), катализирующие соединения двух молекул субстрата путем образования связей С-О, С-S, С-N или С-С.

Биохимические процессы, протекающие при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием собственных ферментов сырья или с действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами и используемых в виде ферментных препаратов (ФП).

Ферменты находятся в сырье в свободном и связанном виде. При прорастании зерна активность ферментов повышается, так как они полностью или частично становятся свободными.

Каждый микроорганизм содержит комплекс разнообразных ферментов, многие из которых аналогичны ферментам растений и животных.

Источником получения биомассы микроорганизмов, используемой для выделения данного фермента, являются культуры плесневых грибов, бактерий, дрожжей и актиномицетов. Эти микроорганизмы дают значительно больше биомассы, из которой проще и экономичнее выделить данный фермент, чем из тканей высших растений и животных. Так, a-амилазу получают из плесневых грибов (А. nigег, А. огуzае и др.) и бактерий (В. subtilis), глюкоамилазу — чаще всего из плесневого гриба А. аwаmri, пектолитические ферменты — из грибов Аspergillus, например А. аwаmori, протеиназы — из бактерий и грибов, относящихся к родам Васillus. Аspergillus, Реnicillium и др.

Ферментные препараты (ФП) отличаются от ферментов тем, что помимо активного белка содержат балластные вещества. Подавляющее количество препаратов являются комплексными, содержащими кроме основного еще значительное количество сопутствующих ферментов, хотя существуют ферментные препараты, в состав которых входит какой-либо один фермент. В комплексном препарате один фермент может преобладать и иметь наибольшую активность.

Название ФП начинается с сокращенного названия основного фермента к которому добавляют видовое название продуцента и заканчивают название суффиксом «-ин». Например, амилолитические препараты, получаемые из культур А. огуzае и В. subtilis, называются соответственно амилоризином и амилосубтилином. Протеолитический препарат, получаемый из культуры В. subtilis, называется протосубтилином. В названии препарата отражается способ культивирования микроорганизмов: при глубинном способе после названия ставится буква Г, а при поверхностном — П; далее следует обозначение 2х, Зх, 10х, 15х или 20х, отражающее возрастающую степень очистки препарата от балластных веществ. Если в названии не стоит буква х, то это неочищенная культура продуцента.

При использовании ФП следует учитывать то влияние, которое могут оказывать сопутствующие ферменты на технологический процесс. Создавая оптимальные условия для действия главного ферменты, можно в значительной степени ослабить активность других нежелательных ферментов. Например, присутствие активной протеиназы вместе с a-амилазой в препаратах для хлебопечения нежелательно. В противоположность этому при осахаривании зерна и крахмала в спиртовой промышленности необходимо одновременное воздействие этих двух ферментов.

Применение ФП в пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выход, улучшить условия труда, экономить ценное пищевое сырье. Если прежде основным источником активных ферментов являлся солод, получаемый из ячменя, ржи и других культур, то, применяя ферментные препараты, можно отказаться от зерна и использовать его на другие цели.