Получение и использование ферментных препаратов

Ферменты способны осуществлять каталитические функции вне клетки и вне организма, поэтому для прак­тических целей представляет большой интерес выделение ферментов и их использование в пищевой, легкой, меди­цинской и некоторых других отраслях промышленности, сельском хозяйстве, на предприятиях общественного пи­тания и т. д.

Применение ферментов позволяет в большинстве слу­чаев интенсифицировать технологические процессы, повы­шать качество готового продукта, улучшать его товарный вид, снижать себестоимость производства (уменьшит расход сырья), расширять сырьевые ресурсы.

В настоящее время создается мощная отрасль биотехнология, основанная на использовании ферментов.

Ферментные препараты применяют в хлебопечении, ви­ноделии, спиртовом, пивоваренном и соко-экстрактном производствах, в кондитерской, крахмалопаточной, мясоперерабатывающей и рыбной промышленности, в сыро­делии и других отраслях пищевой промышленности, в сельском хозяйстве – при приготовлении кормов, в лег­кой промышленности – при обработке кож, льна, мехов, в медицинской промышленности – для получения ле­карств и т. д.

Велика роль ферментов в процессах переработки пищевого сырья и при хранении товаров. Под действием ферментов про­исходит созревание сыров, мяса, рыбы при посоле, чая, вина, в результате которого продукты приобретают определенный вкус и аромат. Такие отрасли пищевой промышленности, как сыро­варение, вяление рыбы, бродильная промышленность, производство кисломолочных продуктов, квашение овощей, хлебопечение и другие, основаны на ферментативных процессах. Правильный подбор микрофлоры при производстве товаров существенно вли­яет на качество продукции. Процессы в органах пищеварения, обмен веществ в организме происходят под катализирующим действием ферментов.

Благодаря особенностям ферментативных реакций, которые протекают при невысокой температуре очень быстро, без неже­лательных изменений продукта, так как вносимые в небольших количествах ферменты воздействуют только на определенную составную часть сырья, не вызывая изменений остальных ве­ществ, обработка ферментами растительного и животного сырья очень удобна.

Добавление ферментов к пшеничной муке сокращает про­цесс хлебопечения и улучшает вкус и аромат хлеба. Процесс осветления фруктовых соков можно ускорить с помощью ферментов. Применение пектолитических ферментов, глюкоокси­дазы и каталазы, вызывающих гидролиз пектиновых веществ, позволяет повысить выход сока из слив, абрикосов, персиков и черной смо­родины на 25 – 30 %.

Обработка мяса ферментными препаратами папаина, фицина, бромелина, панкреатина и другими ускоряет процесс созре­вания мяса, улучшает вкус, способствует размягчению жестких частей мясной туши.

Для предохранения мяса, рыбы, жиров, майонеза, сыра, су­хого молока, пива, соков и других пищевых продуктов от порчи во время хранения используют фермент глюкозооксидазу, выде­ляемый из некоторых видов плесеней. В присутствии кислорода глюкозооксидаза окисляет глюкозу, превращая ее в глюконовую кислоту и перекись водорода, удаляя кислород.

В некоторых случаях ферменты вызывают ухудшение каче­ства или порчу пищевых продуктов: почернение очищенного картофеля, потемнение грибов, яблок, разрушение витамина С, прогоркание и осаливание жиров, прокисание, брожение, гние­ние продуктов. Интенсивность дыхания зерна, картофеля, овощей и фруктов при хранении, ростовые процессы, иммунитет к болезням зависит от активности ферментов.

Для снижения активности ферментов при хранении скоропор­тящиеся продукты помещают в камеры с низкой температурой (в охлажденном или замороженном состоянии) в регулируемой газовой среде, с применением каких-либо консервантов или принимают меры к инактивации ферментов. Управление активностью ферментов лежит в основе мероприятий по хранению и переработке продуктов.

Промышленное получение ферментных препаратов из растительного и животного сырья лимитируется ограни­ченностью сырьевых ресурсов и относительно небольшим ассортиментом ферментов, которые могут быть из него получены. Поэтому наиболее перспективно производство ферментов микробного происхождения, так как источник микробиологического сырья огромен и набор ферментов в этом сырье очень широк.

Продуцентами ферментов могут быть бактерии, грибы, дрожжи, актиномицеты. Многие микроорганизмы могут синтезировать одновременно комплекс ферментов, но имеются и такие, которые накапливают в наибольших количествах только один фермент.

Ферментный препарат отличается от чистого фермента тем, что в нем содержатся балластные вещества и несколько других ферментов.

Для производственных целей ферментные препараты могут не подвергаться тщательной очистке, тогда как для научно-исследовательских работ и лекарственных целей нередко требуется выделять ферменты в чистом виде.

Источником получения ферментных препаратов слу­жат также органы и ткани животных, богатые фермен­тами. Так, поджелудочная железа богата химотрипсином, трипсином, коллогеназой и др.; слизистая оболочка сви­ных желудков и сычугов крупного рогатого скота содер­жит ферменты пепсин и липазу; в сычужках молочных телят и ягнят находится сычужный фермент реннин, используемый для свертывания молока при производстве сыров.

Из растительного сырья для промышленных целей чаще всего выделяют протеолитические ферменты – папаин из дынного дерева (папайи), фицин – из растения инжира, бромелаин – из ананаса. Все эти препараты существенно улучшают качество мяса, способствуя раз­мягчению жестких частей. Из проросшего зерна получают ферментные препараты для гидролиза крахмала.

Широко известны препараты амилолитических, пектолитических и протеолитических ферментов, глюкооксидазы, каталазы и другие, получаемые с помощью микро­организмов.

Плесневые грибы, дрожжеподобные микроорганизмы и спороносные бактерии синтезируют амилолитические ферменты. Для получения амилолитических ферментных препаратов чаще всего используют грибы рода Aspergillus видов oryzae, awamori и др.

Пектолитические ферменты получают с помощью Penicillum glaucum, Penicillum expansum, Aspergillus и не­которых других.

Протеолитические ферменты способны вырабатываться многими плесневыми грибами, актиномицетами и бакте­риями. Но наиболее часто используются в качестве про­дуцентов Bac. subtilus и грибы различных видов рода Aspergillus.

Продуцентами глюкооксидазы и каталазы являются некоторые виды грибов рода Aspergillus и Penicillum.

Амилолитические ферментные препараты применяют в хлебопекарной промышленности для улучшения каче­ства и аромата хлеба. При этом время созревания теста снижается на 30 %, а расход сахара на производство бу­лочных изделий высших сортов уменьшается вдвое. В пи­воваренной, спиртовой и крахмалопаточной промышлен­ности амилолитические ферменты применяют для осахаривания крахмала. В пивоваренной промышленности при­менение ферментных препаратов позволяет сэкономить около 165 килограммов ячменя при производстве каждого декалитра пива.

Применение пектолитических ферментов, глюкоокси­дазы и каталазы, вызывающих мацерацию клеточных сте­нок и гидролиз пектиновых веществ, позволяет повысить выход сока из слив, абрикосов, персиков и черной смо­родины на 25 – 30 %.

Фермент глюкозофосфатизомераза способен превра­щать глюкозу во фруктозу, и наоборот. На этом основано получение фруктозы из глюкозы в условиях промышлен­ного производства. Фруктоза в отличие от глюкозы и сахарозы на превращения в организме не требует инсу­лина, что очень важно для человека, болеющего диабетом.

Особое значение имеют ферментные препараты в ме­дицине для лечения многих заболеваний. Так, при лече­нии желудочных заболеваний используют ферментные пре­параты пепсина, трипсина и другие, получаемые из тка­ней животных. Широко используют ферментные препа­раты в кожевенном и меховом производстве для снятия волос со шкур и размягчения кожевенного сырья. В тек­стильной промышленности с помощью ферментов произво­дят расшлихтовку тканей, в результате чего значительно повышается производительность труда.

С помощью ферментов в больших количествах ведется промышленная выработка аминокислот и белковых пре­паратов, в первую очередь для животноводства.

Для получения микробиологических ферментных пре­паратов производят посевы чистых культур микроорга­низмов на стерильные среды определенного состава с опре­деленными рН и температурой. После выращивания микроорганизмов культуральную жидкость, содержащую растворимые вещества, отделяют от клеточного материала и нерастворимых составных частей среды. Для этого при­меняют центрифугирование или фильтрование. Концентри­рование неочищенных ферментных растворов производит­ся выпариванием под вакуумом при низких температурах.

В лабораторной и промышленной практике широко используют жидкие ферментные препараты. Для выделе­ния ферментов из культуральной жидкости применяют два способа – осаждение и адсорбцию. Осаждение ве­дется при низкой температуре во избежание денатурации и инактивирования ферментов. Осаждение чаще всего осуществляется органическими растворителями и неорга­ническими солями. Для высокой очистки осадки раство­ряются и обрабатываются методами хроматографии, элек­трофореза, диализа, кристаллизации и др.