Ферменты в пищевых технологиях. Иммобилизованные ферменты

 

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, вырабатываемые живыми клетками, но в своем действии независимы от их присутствия (ферменты могут работать как в клетке, так и вне клетки). Ферменты называют энзимами, что в переводе означает «сложнейший».

На действии ферментов основано производство спирта, вина, пива, чая, кисломолочных продуктов, сыров, хлебобулочных изделий и др. Действием ферментов объясняется созревание и пересозревание плодов и овощей, созревание и порча мяса и рыбы, сохраняемость зерна, муки, хлеба.

Молекулярная масса ферментов колеблется от 15000 до 1 млн. Действие фермента на субстрат отличается строгой специфичностью.

По своему строению все ферменты делят на 2 группы:

- однокомпонентные

- двухкомпонентные

 

Однокомпонентный фермент состоит только из белка, обладающего каталитическими свойствами (амилаза)

Двухкомопонентный фермент состоит из белка соединенного с веществом небелковой природы, которое называется простетической группой. (пируватдекарбоксилаза катализирует расщепление пировиноградной кислоты до уксусного альдегида и углекислого газа. Коферментом этого фермента явл. витамин В₁. Этот фермент играет большую роль в процессе дыхания, брожения и углеводного обмена).

Активную простетическую группу называют – агон или кофермент, а белковую – ферон или апофермент.

Такие витамины как А,Д,Е,К,С не являются коферментами ферментов.

У однокомпонентных ферментов роль активных групп играет определнная группировка, входящая в состав ферментного белка – «активные центры».

Активный центр – это часть молекулы белка с помощью которой фермент соединяется с субстратом (вещество на которое действует фермент). В случае нарушения активного центра фермент теряет свою активность.

От неорганических катализаторы отличаются тем, что их активность зависит от возраста, выполняемой работы, физиологического состояния организма, что неприсуще другим катализаторам.

Скорость ферментативных реакций гораздо выше, чем других катализаторов. О космических скоростях ферментативных реакций свидетельствуют следующие примеры: 2 г пепсина, вырабатываемого слизистой оболочкой желудка способно за 2 часа расщепить 100 кг денатурированного яичного белка, а 1,6 г амилазы – фермента, вырабатываемого поджелудочной железой и расщепляющей крахмал, способна за сутки расщепить 175 кг крахмала.

Сущность ферментативной реакции заключается в образовании ферментсубстратного комплекса, когда при непосредственном взаимодействии фермента и субстрата происходит перегруппировка внутренних связей субстрата, приводящая к его активации:

 

Е + S ЕS + Е + Р₁ + Р₂

 

Е – фермент (энзим)

S – субстрат (вещество с которым взаимодействует фермент)

Р₁ и Р₂ - продукты катализа (реакции)

ЕS – субстратферментный комплекс

 

В основе действия ферментов как биологических катализаторов лежит способность повышать скорость ферментативных реакций за счет снижения энергии активации субстрата, т.е. каким-то образом его активировать.

Например, для расщепления сахарозы до глюкозы и фруктозы без катализатора надо затратить энергию активации = 134 кДж/моль, если катализатором являются ионы водорода, то энергия активации = 107 кДж/моль, а если катализатором является фермент b-фруктофуранозидаза, то энергия активации = 39 кДж/моль.

Для каждого фермента существуют оптимальные условия, при которых он принимает максимальную активность. Такие условия обычно характеризуют: температура, рН, наличие активаторов (вещества, повышающие активность ферментов: ионы металлов – натрия, кальция, калия, магния, ионы йода, врома, хлора и др.) и ингибиторов (вещества, подавляющие действие ферментов), концентрация фермента и субстрата.

Под активностью фермента понимают то количество весовых единиц субстрата, превращение которого катализирует одна весовая единица фермента в оптимальных условиях.

Ингибиторы ферментов делят на общие и специфические.

К общим ингибиторам относятся соли тяжелых металлов, трихлоруксусная кислота, концентрированные минеральные кислоты, т.е. все те вещества, которые вызывают денатурацию белков.

Механизм действия специфических ингибиторов сводится к тому, что они вступают в соединение с активным центром фермента, блокируют его и фермент становится неактивным, т.е. он не может взаимодействовать со своим субстратом.

Специфические ингибиторы дают возможность целенаправленно изменять обмен веществ, ускорять, замедлять или полностью приостанавливать течение точно известных биохимических реакций (химические вещества, средства химической защиты от насекомых и болезней растений, пищевые добавки).

Различают ингибирование конкурентное и неконкурентное.

При конкурентном ингибировании ингибитор имеет такую же структуру как и субстрат, т.е. является структурным аналогом субстрата, он вступает в соединение с ферментом по месту соединения с субстратом, блокирует фермент и он становится неактивным.

Главная особенность конкурентных ингибиторов состоит в том, что ингибитор и субстрат взаимодействуют с одним и тем же участком активной поверхности фермента, именно поэтому они и конкурируют, т.е. каждый стремится занять свое место на активном центре фермента.

При неконкурентном ингибировании ингибитор присоединяется к ферменту не по месту соединения с субстратом, а к какому-либо участку, который называется – аллостерическим (allos – другой). При этом происходит изменение активного центра субстрата и субстрат не может присоединиться к активному центру фермента.

В одних случаях в пищевых технологиях ферменты играют положительную роль, а в других – отрицательную. Отрицательная роль связана с потерей пищевой ценности сырья, что наблюдается при хранении плодоовощного сырья, молока. В этом случае стремятся инактивировать ферменты или снизить их активность (понизить температуру вплоть до замораживания, высокотемпературный шок, добавление ингибирующих веществ- консервантов).

Классификация ферментов

1. оксидоредуктазы (катализирующие окислительно-восстановительные реакции путем переноса атомов водорода или электронов от одного субстрата к другому) – каталазы, пироксидазы…

2. трансферазы (катализирующие реакции переноса различных групп – РО₄^3-, СН₃, NН₂ и др. от одного субстрата к другому) – аминотрасферазы, фосфаттрансферазы…

3. гидролазы (катализирующие реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей углерод-гетероэлемент в субстрате, чаще всего углерод-кислород и углерод-азот (в пептидных, амидных, гликозидных и сложноэфирных группировках)) – липазы, эстеразы, амилазы, протеазы…

4. лиазы (катализируют реакции негидролитического отщепления различных групп от субстрата с образованием двойных связей углеро-углерод и углерод-гетероэлемент (О, S, N), а также обратные реакции - присоединения групп по разрывающимся двойным связям) – пируватдекарбоксилаза, аспартаза…

5. изомеразы (катализируют реакции изомеризации различных орг.соединений, т.е. изменения в прелелах молекулы субстрата) – глюкоизомераза, триозофосфатизомераза…

6. лигазы (синтетазы) (ускоряют синтез сложных орг.соединений из простых – катализируют реакции соединения двух молекул субстрата, сопровождаемые расщеплением дифосфатной связи в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты и молекулах других нуклеозидтрифосфатов) – ДНК-лигаза, триптофансинтетаза…

 

Сейчас наиболее широко в промышленности используют следующие группы ферментных катализаторов:

a) карбогидразы, расщепляющие крахмал и низкомолекулярные углеводы (дисахариды) – амилазы, глюкоамилазы, мальтазы, лактазы, сахаразы и т.д.;

b) протеазы, расщепляющие белки и продукты их распада (различные пептиды)- протеиназы и пептидазы;

c) пектиназы, гидролизующие пектины – пектинэстеразы и полигактуроназы;

d) целлюлазы и гемицеллюлазы, разрушающие целлюлолзу (клетчатку), гемицеллюлозы, камеди и гумми;

e) липазы, гидролизующие жиры;

f) ферменты негидролитического действия – глюкооксидаза, каталаза, липоксигеназа и пероксидаза.