Понятие иммобилизации ферментов и способы ее проведения.

Ферменты представляют собой высоко специализированные катализаторы белковой природы, ускоряющие химические реакции в животных и растительных организмах. Они являются движущей силой биохимических процессов в живых организмах. Все ферментативные реакции протекают легко и быстро. Ферментативные реакции, катализируемой в организмах не сопровождаются образованием побочной продукции.

Ферменты ускоряют реакции в десятки тысяч и миллионы раз. Действие ферментов строго специфично, т.е. каждый фермент катализирует только одну химическую реакцию. Фермент соответствует своему субстратов (веществе, химическое превращение которого он катализирует). На первой стадии ферментативной реакции фермент соединяется с субстратом и образуется так называемый фермент-субстратный комплекс, который затем преобразуется с разрывом химических связей субстрата, и продукты реакции отщепляются от фермента.

Ферменты действуют при определенной температуре, рН среды; их активность зависит от наличия химических веществ — активаторов и ингибиторов. Важнейшим фактором, от которого зависит действие ферментов, является температура.Активность фермента (скорость катализуемои им реакции) растет с повышением температуры. Оптимальная температура, т.е. температура, при которой наблюдается максимум активности ферментов, для большинства из них 40-50 «С. При дальнейшем повышении температуры активность фермента снижается. При температуре 60-80 ° С белок, образующий фермент, денатурирует и фермент инактивируется (теряет свою активность). При денатурации белка, как известно, происходит развертывание полипептидной цепи с потерей им биологических свойств.

Тепловая денатурация ферментов имеет важное практическое значение: пастеризация сырья способствует разрушению ферментов и предохраняет пищевые продукты от ферментативного порчи.

Доказано, что некоторые ферменты обладают способностью восстанавливать свою активность после тепловой денатурации. Происходит самопроизвольное повторное свертывание полипептидной цепи белка с восстановлением нативной (первоначальной) формы, обладающий ферментативной активностью. Это явление называется реактивацией фермента.

Важным фактором, влияющим на активность ферментов, является рН среды. Ферменты различаются по оптимальным для их действия рН. Так, оптимум действия пепсина находится при рН 1,5-2, сычужного фермента — при рН 6,2, щелочной фосфатазы — при рН 9,5. Как правило, при слишком кислой или щелочной реакции среды происходит денатурация фермента и он теряет свою активность.

По химической природе ферменты представляют собой белковые вещества. Они могут быть простыми и сложными белками. Небелковая часть сложных белков называется коферментом. К-ферментами могут быть металлы, витамины и другие соединения. Большинство гидролитических ферментов являются простыми белками, окислительно-восстановительные и некоторые другие ферменты — сложными. Ферменты называют по той веществе, на которое они действуют, добавляя к корню названия окончания «аза»: липаза, лактаза пептидаза и др.. Кроме этих рабочих названий имеются более сложные систематические названия, отражающие механизм действия фермента. В настоящее время известно более 1000 различных ферментов. Ферменты подразделяют на шесть классов: оксидоредуктазы (ферменты, катализуючы окислительно-восстановительные реакции) трансферазы (ферменты, переносящие группы) гидролазы (гидролитические ферменты) лиазы (ферменты отщепления групп) изомеразы (ферменты изомеризации) синтетазы.

Из всех перечисленных классов ферментов наибольшее практическое значение имеют оксидоредуктаз и гидролазы.

Из молока, полученного при нормальных условиях от здорового животного, выделено более 20 истинных или нативных, ферментов. Большая их часть (щелочная фосфатаза, ксантин-оксидаза, пероксидаза и др.). Образуется в клетках молочной железы и переходит в молоко во время секреции. Меньшая часть, вероятно, переходит в молоко из крови животного (протеаза, катализа и др..).

Многочисленные ферменты образуются микроорганизмами молока. Они могут быть внеклеточными и внутриклеточными.Внеклеточные ферменты (экзоферменты) в основном связаны с процессом питания и поэтому легко выделяются клетками в окружающую среду. Внутриклеточные (эндоферменты) действуют внутри клетки и выделяются только после ее отмирания и автолиза (распада).

Состав нативных и микробных ферментов молока. В молоке ферменты находятся в свободном состоянии, а также связанные с казеиновыми мицеллы и оболочками жировых шариков.

Знание свойств ферментов, которые встречаются в молоке и молочных продуктах, необходимо специалисту молочной промышленности по нескольким причинам. Во-первых, на действия ферментов основано производство кисломолочных продуктов и творога. Во-вторых, ферменты могут вызвать нежелательные изменения составных частей молока и молочных продуктов с последующим возникновением пороков. В-третьих, некоторые свойства ферментов можно использовать для санитарно-гигиенической оценки сырого молока и контроля эффективности его пастеризации.

Рядом с тем, что ферменты играют решающую роль в живых организмах им принадлежит значительное место в производстве пищевых продуктов, а также в с / х

В настоящее время выделены и изучены несколько сотен ферментов. Считают, что живая клетка может иметь более 1000 различных ферментов. Каждый живой организм непрерывно синтезирует ферменты.

Каталитическая активность ферментов во много раз превышает активность неорганических катализаторов. Ферменты характеризуются специфичностью в действии, которые проявляются в тех случаях, когда вещество отличается по химической структуре. Они ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, т.е. гидролиз и синтез вещества на которую они действуют.

Химическая природа ферментов. Ферменты разделяют на 2 больших вида. Однокомпонентные, состоящие только из белка, и двухкомпонентные, состоящие из белка и небелковой части, называемой простетической группой. Белки ферментов могут быть простыми (протеинами) и сложными (протеиды). Молекулярный вес ферментов колеблется в широких пределах — от нескольких тысяч до миллионных, но большинство ферментов имеют точную молекулярный вес.В чистом виде все ферменты являются кристаллами. Свойства ферментов обусловлены в первую очередь наличием особо активных центров на поверхности белковой молекулы и присоединенных к белку особых химических группировок.

Количество фермента, что есть в тканях в любое время оказывается относительными скоростями его синтеза и распада, а также концентрацией различного рода ингибиторов и активаторов. Выявление активности ферментов проводится при 30 ˚ С и при оптимальных величинах рН и концентрации субстратах.

Согласно классификации название фермента составляется из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. В латинское название корня субстрата добавляется окончание аза. Наряду с новыми названиями для многих ферментов сохранились старые традиционные (пепсин, трипсин).

По современной классификации все ферменты делят на 6 видов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.

Каждый из 6 видов разделяют на подвиды, а каждый подвид на группы.

Оксидоредуктаз. Это ферменты, катализирующие окислительно — восстановительные реакции, происходящие в живых организмах. Реакции окисления веществ всегда сопровождаются реакциями восстановления. Оксидоредуктазы разделяют на четырнадцать подвидов, объединяющих примерно 270 ферментов. Окисление протекает как процесс отнятия водорода от субстрата, а восстановление как присоединение атомов водорода к акцептора. Среди оксидоредуктаз основное значение имеют дегидрогеназы, которые осуществляют реакцию дегидрирования.

Трансферазы. Они ускоряют перенос целых групп и молекулярных остатков из одних соединений в другие. Это один из крупнейших видов, в составе которого 240 ферментов, имеющих большое значение для обмена веществ живых организмов.

Гидролазы. Эти ферменты катализируют гидролиз, а иногда и синтез органических соединений при участии воды. Этот вид включает более 217 ферментов и делится на 9 подгрупп. Гидролазы делят на ферменты гидролизуют глюкозийни связи. Эти же ферменты гидролизуют пептидные связи в белках, а также сложные эфиры.

Лиазы. Они объединяют ферменты, ускоряющие негидролитични реакции распада органических веществ с отщеплением воды, углекислого газа и аммиака. В результате действия ферментов образуются двойные связи.Некоторые из этих реакций обратные и соответствующие фермента при определенных условиях катализируют реакции не только распада, но и синтеза. Вид ЛиАЗ включает 117 ферментов.

Изомеразы. Такие ферменты катализируют превращения органических соединений в их изомеры. Изомеразы катализирующие перенос групп только в середине молекулы. Эти преобразования могут проявляться во внутренне-молекулярном переносу водорода, фосфатных и ацетильных групп, в изменении пространственного расположения атомных группировок, в перемещении двойных связей. К виду изомераз принадлежит сорок семь ферментов.

Лигазы или синтетазы. Это большая группа ферментов, ускоряет синтез сложных органических соединений из более простых. Реакция синтеза требует значительных затрат энергии, поэтому активность лигазы проявляется только в присутствии таких соединений, как аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) или другой нуклеотидтрифосфадт.

До недавнего времени технологическое применение ферментов и было экономически нецелесообразным, так как индивидуальные или комплексные препараты ферментов имели высокую стоимость и использовались однократно. После окончания процесса фермент вместе промежуточным продуктом или готовой продукцией выводится из рабочей зоны и необратимо утрачивается. Поэтому проблема задержания фермента в зоне реакции с целью его многократного использования была очень важной и над ее решением и ни ученые разных стран. В середине прошлого века она была успешно решена.

В живых клетках ферменты локализованы, то есть находятся в определенных структурах клетки — органеллах или эндоплазматическом ретикулуме. Выяснилось, что ферменты содержатся в этих структурах том, что они зафиксированы («пришиты») на их внутренних или внешних поверхностях. Причем в таком зафиксированном состоянии они имеют более высокую активность, чем в свободном (делокализованных). Это явление было использовано и в технологических процессах. Ферменты начали фиксировать (закреплять) на поверхности водонерастворимых носителей неорганического или органического происхождения. Такие ферменты получили название иммобилизованных, а процесс закрепления —иммобилизацией фермента.

Одним из первых способов иммобилизации было закрепление фермента на поверхности неорганических адсорбентов:оксидов и гидроксидов алюминия, титана, циркония, железа обожженной керамики, пористого стекла, силикагеля и других. Позже вместо неорганических использовались природные и синтетические органические адсорбенты: клетчатка, хитин, крахмал и их производные; ионообменные смолы — сефадексе и сефароза; гранулированные и волокнистые пластмассы — полиэтилен, полистирол, полиуретан, нейлон, оксиалкилметакрилат и другие. Однако такие способы иммобилизации были малоэффективными. Слой адсорбента (насадка) быстро загрязнялся продуктами реакции, активность фермента снижалась, часть фермента смывалась с поверхности адсорбента и терялась вследствие слабости связи.

На смену адсорбционным способам иммобилизации пришли химические. Для укрепления связи фермента с носителем (основой) осуществлялось химическое соединение апофермента и основы с помощью активных функциональных групп (амино-, окси-, метокси-, карбокси-и сульфгидрильных т.д.). Чтобы предотвратить эффект экранирования основой активного центра фермента, использовалось соединение через удлинители (спейсер) — глутаровая или адипиновой кислоты и их альдегиды.

Весьма эффективным оказался способ иммобилизации фермента ментов путем их включения в структуру желе и полимеров. При этом способе раствор фермента смешивают с раствором драглеутворюючои вещества (альгинаты, желатин, агар-агар, каррагинан и другие) и полученную смесь разбрызгивают в виде капель в раствор задублювача ( чаще всего раствор хлорида кальция). Капли смеси мгновенно затвердевают в виде гранул. Такой «гранулированный» фермент очень удобен в использовании н проточных реакторах, что позволяет создать непрерывный поточный технологический процесс

Способ иммобилизации ферментов в структуру полимера заключается в том, что в качестве основы выбирается высокомолекулярное вещество с пространственной (трехмерной) структурой. Перед ее полимеризацией раствор мономер смешивают с ферментом, который во время полимеризации оказывается захваченным в его пространственную сетку. Используя этот способ можно изготавливать пленки, мембраны, трубки, блоки и другие конструктивные элементы, в структуре которых находится фермент. Он доступен для молекул субстрата и надежно зафиксирован, а потому многократно участвует в биохимических процессах.

Близким к этому является способ иммобилизации путем образования конгломератов из молекул фермента или смеси фермента и Инертных белков или других высокомолекулярных соединений. Конгломераты, т.е. крупные образования с пространственной структурой, получают методом «сшивания» апофермент с носителем (инертным белком) с помощью специальных веществ: гексаметилендиизоцианат, глутаровый альдегид, производные триазина и другие.

Наиболее оригинальным способом иммобилизации является способ инкапсилювання фермента, т.е. включение его в капсулу, стенки которой является проницаемыми для субстрата. Для этого сначала фермент «дробленый» в структуру студень, например альгинатная, как было указано выше. Затем гранулы студень с ферментом обрабатываются высокомолекулярными соединениями, способными образовывать напивпроникливи мембраны: полистиролом, полиуретаном, поликарбонатом, производными клетчатки, пектинов и др.. После фиксации мембран гранулы обрабатывают реагентами, которые растворяют и вымывают студень (трилон Б, другие комплексоны). Под их действием студень разрушаются, вымываются, а фермент остается внутри капсулы («фермент в клетке»).

Рассмотрены и другие способы иммобилизации позволяют решить сразу несколько сложных технологических проблем

♦ многократного использования дорогих препаратов ферментов;

♦ повышение устойчивости ферментов к воздействию внешних факторов;

♦ создание многокомпонентных ферментных композиций для интегральных технологий;

♦ создание условий для непрерывного технологического процесса;

♦ исключения загрязнения конечной продукции ферментами;

♦ расширение сферы использования ферментов в пищевых технологиях

♦ повышение экономической эффективности технологических процессов.

 

Литература

  1. П.П. Пивоваров, Д.Ю. Прасол. Теоретические основы технологии пищевых производств. Х.: Харьковский государственный университет питания и торговли, 2000. — 118 с.
  2. Общая технология пищевых производств /Под ред. Ковалевской Л.П. -М.: Колос, 1993. -384с.
  3. Общая технология пищевых производств /Под ред. Назарова Н.И. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. — 360 с.
  4. Технология пищевых производств /Поду ред. Ковалевской Л.П. -М.: Колос, 1997.-707 с.
Posted in Теоретические основы технологий пищевых производств
Перелік предметів:
  1. Інформаційні технологіі в галузі
  2. Інформаційні технологіі в системах якості стандартизаціісертифікаціі
  3. Історія української культури
  4. Бухоблік у ресторанному господарстві
  5. Діловодство
  6. Мікропроцесорні системи управління технологічними процесами
  7. Науково-практичні основи технологіі молока і молочних продуктів
  8. Науково-практичні основи технологіі м’яса і м’ясних продуктів
  9. Організація обслуговування у підприємствах ресторанного господарства
  10. Основи наукових досліджень та технічноі творчості
  11. Основи охорони праці
  12. Основи підприємницькоі діяльності та агробізнесу
  13. Політологія
  14. Технологічне обладнання для молочноі промисловості
  15. Технологічне обладнання для м’ясноі промисловості
  16. Технологічний семінар
  17. Технологія зберігання консервування та переробки молока
  18. Технологія зберігання консервування та переробки м’яса
  19. Технологія продукціі підприємств ресторанного господарства
  20. Технохімічний контроль
  21. Технохімічний контроль
  22. Управління якістю продукціі ресторанного господарства
  23. Вища математика 3к.1с
  24. Вступ до фаху 4к.2с.
  25. Загальні технології харчових виробництв
  26. Загальна технологія харчових виробництв 4к.2с.
  27. Мікробіологія молока і молочних продуктів 3к.1с
  28. Математичні моделі в розрахунках на еом
  29. Методи контролю харчових виробництв
  30. Основи фізіології та гігієни харчування 3к.1с
  31. Отримання доброякісного молока 3к.1с
  32. Прикладна механіка
  33. Прикладна механіка 4к.2с.
  34. Теоретичні основи технології харчових виробництв
  35. Технологія зберігання, консервування та переробки м’яса
  36. Фізика
  37. Харчові та дієтичні добавки
  38. Фізичне виховання 3к.1с

На русском

  1. Методы контроля пищевых производств
  2. Общая технология пищевых производств
  3. Теоретические основы технологий пищевых производств
  4. Технология хранения, консервирования и переработки мяса
LiveInternet