Enzyme preparations and biocatalytic processes in the food industry

• Liubov V. Rimareva
• Elena M. Serba
• Elena N. Sokolova
• Borshcheva Yu.A.
• Ignatova N.I.

AbstractEnzyme preparations are essential to biotechnological processes for the production of food. Classification of enzymes, the specificity of their action on various substrates and processes of obtaining enzyme preparations based on various microorganisms-producers of enzymes are presented. Overview of the world and internal market of enzyme preparations used in the food industry is provided. The issues of efficient bioconversion of different plant materials to improve the quality of juices, fruit drinks, reducing the viscosity and increasing the productivity of biologically valuable components for functional products are considered; microbial raw materials - to produce protein or amino acid and vitamin enriched foods, as well as food ingredients; animal raw materials - for intensification of technological processes, for processing of wastes of meat, dairy industry, as well as in cheese making to improve the quality of products. The review is of scientific and practical interest for specialists in the field of biotechnology of food production of high quality food obtained by the enzymatic conversion of different types of agricultural raw materials.

Keywords:enzymes, biotechnology, substrate specificity, conversion, resource-saving technology, agricultural raw materials, food

Перспективным направлением совершенствования технологических процессов в перерабатывающих отраслях пищевой промышленности является использо­вание высокоактивных биологических катализаторов, способствующих существенному увеличению выхода, повышению качества и продлению сроков хранения готовой продукции [1, 2]. Кроме того, ферментативный катализ позволяет радикально изменять функциональ­но технологические свойства сырья на различных эта­пах его переработки, открывая тем самым широкие возможности создания принципиально новых легкоус­вояемых продуктов, в том числе специализированной пищевой продукции.

Большинство пищевых технологий основаны на био­каталитических методах конверсии сельскохозяйствен­ного сырья [3-5]. Наиболее масштабно используют ферментные препараты микробного происхождения в спиртовой и пивоваренной (порядка 60% от общего объема ферментных препаратов), хлебопекарной, кон­дитерской, крахмало-паточной, сыродельной (до 20%) отраслях промышленности. Применение отечественных биокатализаторов позволяет не только интенсифици­ровать существующие биотехнологические процессы в пищевой промышленности, но и создать конкуренто­способную продукцию нового поколения с заданными свойствами, произвести импортозамещение.

Ферменты: классификация и специфичность

Ферментативный катализ субстратов растительного, животного и микробного происхождения обеспечи­вает радикальное изменение функциональных свойств и фракционного состава сырья на различных этапах его переработки, открывая широкие возможности создания принципиально новых видов пищевой про­дукции.

По современной классификации, принятой Комитетом по номенклатуре Международного союза биохимиков и молекулярных биологов (NC-IUBMB), все ферменты делятся на 6 основных классов по типу катализируемой реакции [6]: оксидоредуктазы (окислительно-восстано­вительные реакции); трансферазы (реакции переноса групп); гидролазы (реакции присоединения или отщеп­ления молекулы воды); лиазы (реакции отщепления или присоединения групп негидролитическим путем по двойной связи); изомеразы (реакции изомеризации); лигазы, или синтетазы (реакции присоединения друг к другу двух молекул, сопряженные с расщеплением пирофосфатной связи).

Большинство ферментов, применяемых в пищевой промышленности, относятся к 3-му классу - гидро­лазы, который включает 11 подклассов [7]. Гидролазы катализируют гидролитические реакции в процессах биоконверсии субстратов растительного, животного и микробного происхождения. Наименование гидролаз составляют по форме: "субстрат-гидролаза".

Гидролитические ферменты 3-го класса подраз­деляют на подклассы в зависимости от специфич­ности их действия при каталитическом расщепление определенных связей: 3.1 - сложноэфирных связей; 3.2 - гликозидных связей; 3.3 - эфирных связей; 3.4 - пептидных связей; 3.5 - связей С-N, отлич­ных от пептидных; 3.6 - кислотно-ангидридных связей; 3.7 - связи С-С; 3.8 - галоидалкидных связей; 3.9 - свя­зей Р-N; 3.10 - связей S-N; 3.11 - связей С-Р.

Наибольший интерес для специалистов в области пищевой биотехнологии представляют 3 подкласса ферментов класса гидролаз (3.1, 3.2 и 3.4). К ним от­носятся эстеразы (пектинэстераза действует на пектин в растительных субстратах); гликозидазы (амилазы, гемицеллюлазы, катализирующие гидролиз гликозидных связей в поли- и олигосахаридах); протеазы, способные катализировать гидролиз белковых ве­ществ.

Субстратами для гидролитических ферментов яв­ляются полимеры, которые служат объектом действия на них ферментов с соответствующей субстратной специфичностью. В процессе ферментативного гид­ролиза происходит образование фермент-субстратного комплекса, который претерпевает внутримолекуляр­ную перегруппировку под влиянием активного центра фермента [8]. Катализированный разрыв ангидридной связи субстрата приводит к выделению из фермент-суб­стратного комплекса одного из продуктов реакции. Вто­рой продукт выделяется после группировок, связанных с присоединением воды.

"Узнаваемость" ферментом полимерного субстрата может достигаться большим количеством контактов. Каждая молекула полимерного субстрата фактически представляет собой целый спектр реакционных центров с различной реакционной способностью. При этом реак­ционная способность полимеров, как правило, убывает в ходе его ферментативной деструкции.

Специфичность действия. Ферменты обладают вы­сокой избирательной способностью взаимодействия с субстратом и высокой специфичностью по отношению к катализируемым реакциям. При этом различают стереоспецифичность, абсолютную и относительную специфичность.

Практически отсутствуют ферменты, обладающие аб­солютной специфичностью и катализирующие только одну реакцию. Однако некоторые ферменты можно условно отнести к этой категории, как катализирующие одну реакцию с существенно более высокой скоро­стью, чем другие, которыми можно пренебречь. Так, на­пример, глюкозооксидаза, катализирующая окисление D-глюкозы до глюконовой кислоты, участвует в ката­литическом окислении еще ряда субстратов (маннозы, лактозы, мальтозы и др.), но скорость этих реакции более чем на порядок ниже. Поэтому глюкозооксидазу условно считают ферментом, обладающим абсолютной специфичностью.

Ферменты, проявляющие относительную или группо­вую специфичность, действуют на группу близких по строению субстратов. При этом каждый индивидуаль­ный фермент проявляет свои характерные особенности воздействия на тот или иной субстрат. Предполагается, что в активном центре фермента условно присутствуют два участка: сорбционный и каталитический. При этом ферменты вариабельны по структурам сорбционных участков центров и строго консервативны по структурам каталитических участков [9].

Для гидролаз подкласса 3.1 (эстераз) характерна относительная субстратная специфичность, т.е. спо­собность гидролизовать сложноэфирные связи между радикалами различного вида. Эстеразы расщепляют моно-, ди-, триацилглицеролы и др. соединения, содер­жащие сложноэфирную связь. Скорость расщепления зависит от структуры субстрата.

Липазы проявляют позиционную специфичность: предпочтительно гидролизуют сложноэфирную связь при С₁ и С₃ глицерола, а также проявляют избиратель­ность в отношении длины цепи отщепляемых жирнокислотных остатков.

Протеазы (подкласс 3.4) обладают групповой специ­фичностью по отношению к белкам и пептидам. При этом пепсин предпочтительно катализирует расщепле­ние пептидной связи между тирозином и фенилалани-ном, особенно при наличии свободной карбоксильной группы. Химотрипсин воздействует на пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматичес­ких аминокислот.

Ферменты обладают способностью воздействовать не только на различные субстраты, но и катализиро­вать различные биохимические реакции. Так, например, трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильной группой аргинина или ли­зина, а также амидных связей и сложноэфирных связей между аминокислотой и спиртом [10].

Гликозидазы (подкласс 3.2) стереоспецифичны. На­пример, амилазы и β-глюканазы катализируют гидролиз гликозидных связей определенной пространственной конфигурации (α- или β), но не обеих одновременно. Менее строгая избирательность проявляется к различ­ным видам α- или β-гликозидных связей. Так, глюкоамилаза расщепляет α-1,4 и а-1,6-связи; дрожжевая глюканаза - β-1,3 и β-1,4-связи и т.д.

Гликозидазы специфичны в отношении длины цепи: для глюкоамилазы из плесневых грибов предпочти­тельны высокомолекулярные субстраты (декстрины), а для дрожжевых - олигосахариды с меньшей молеку­лярной массой. Скорость гидролиза углеводов может зависеть от наличия определенных замещающих групп в углеводных остатках. Некоторые гликозидазы гидролизуют только линейные полимеры и т.д.

Гидролитические ферменты подразделяют на 2 типа по характеру протекания процесса расщепления суб­страта: эндо- и экзодействия [7-10]. Эндофер-менты катализируют неупорядоченное расщепление внутримолекулярных связей полимерной молекулы с образованием в начальной стадии гидролиза крупных фрагментов различной величины. То есть атакуются связи субстрата, расположенные на достаточном удалении от концов полимерной молекулы. К ним относятся мно­гие ферменты класса гидролаз (α-амилаза, пуллуланаза, эндо-β-глюканаза, протеиназа и др.). Экзоферменты ка­тализируют последовательное отщепление фрагментов молекулы субстрата, чаще мономеров или димеров, от определенного конца полимерной цепи. Возможно, ак­тивный центр таких ферментов устроен в виде кармана, направленного вглубь белковой молекулы, он позволяет вместить не более определенного числа мономерных звеньев субстрата. К ним относятся глюкоамилаза, экзо-β-глюканаза, пептидазы, β-ксилозидазы и др.

Для глубокой деструкции полимеров сельскохозяйс­твенного сырья происходит взаимное усиление дейс­твия ферментов, достигаемое тем, что один фермент эндодействия поставляет субстрат для фермента экзодействия.

Перспективные направления развития ферментных технологий в пищевой промышленности

Анализ мирового биотехнологического рынка показы­вает, что основным коммерческим продуктом являются ферментные препараты. Их производство постоянно возрастает. Объем производства отечественных фер­ментных препаратов в настоящее время составляет около 1000 т в год, а потребность - порядка 18 000 т/год. В результате в страну ежегодно завозится по импорту ферментных препаратов на сумму около 500 млн дол­ларов США. Наиболее масштабно используют фермент­ные препараты микробного происхождения, особенно гидролитического действия.

Ключевым фактором в биотехнологии ферментных препаратов является штамм - продуцент целевых фер­ментов, необходимых для эффективной конверсии по­лимеров сельскохозяйственного сырья. В последнеевремя методами генной инженерии и индуцированного мутагенеза получены высокоактивные штаммы микро­организмов - продуцентов промышленных ферментов, активность которых существенно увеличена [11-16]. Перспективным направлением является разработка на основе новых высокоактивных рекомбинантных и мутантных штаммов усовершенствованных биотехнологий конкурентоспособных ферментных препаратов целевого назначения, необходимых для практической реализации ферментных технологий пищевой промышленности (см. рисунок). При создании биокаталитических технологий учитывается не только полимерный состав сельскохо­зяйственного сырья, но и субстратная специфичность синтезируемых ферментов и механизм их действия.

В результате выявленных закономерностей процес­сов биокатализа полимеров растительных, животных и микробных субстратов разрабатываются научные основы биотехнологии ферментных препаратов для повышения эффективности биотехнологических про­цессов в перерабатывающих отраслях, для создания новых видов пищевой продукции, пищевых ингреди­ентов, биологически активных добавок. В результате созданы ферментные препараты целевого назначения для применения их в биотехнологических процессах пищевых производств [17-26]. Например, для эффек­тивного биокатализа полимеров зернового сырья в спиртовой, пивоваренной, крахмало-паточной, хле­бопекарной и других отраслях промышленности необ­ходимы ферментативные системы, осуществляющие конверсию крахмала (а-амилазы, глюкоамилазы, пуллуланазы), некрахмальных полисахаридов (ксиланазы, р-глюканазы и целлюлазы) и белковых веществ (протеазы) [15, 27-30], что позволяет интенсифицировать био­технологические процессы, повысить выход и качество продукции.

Для кондитерской промышленности необходимы комплексные ферментные препараты амилолитического и протеолитического действия взамен химичес­ких реагентов для повышения эластичности теста в производстве крекеров, интенсификации технологи­ческих процессов, повышения качества кондитерских изделий [17]. Для сокоморсовой и ликеро-водочной промышленности - ферментативные системы (полигалактуроназы, пектинэстеразы, пектинлиазы, гемицеллюлазы и протеазы), осуществляющие деструкцию полимеров плодово-ягодного сырья [18, 20]. Примене­ние комплексных ферментных препаратов целевого назначения позволяет повысить выход сока и его органолептические характеристики, повысить стойкость напитков при хранении. В молочной промышленности используется широкий спектр ферментных препаратов протеолитического действия, регулирующих функцио­нальные свойства молочных продуктов, и корректирую­щие их структурные показатели на тех или иных этапах технологических процессов [19, 31].

Для гидролиза микробной биомассы подобраны оп­тимальные ферментативные системы, позволяющие осуществлять регулируемый процесс биокатализа поли­сахаридов клеточных стенок (р-глюканазы, маннаназы, протеиназы и хитиназы), белков протоплазмы и нуклеи­новых кислот (пептидазы, протеиназы и нуклеазы) с по­лучением биологически активных добавок функциональ­ного назначения, белково-аминокислотных и витаминных обогатителей пищи, пищевых ингредиентов [32-35].

Для гидролиза животного сырья в сыроделии, мо­лочной, мясной промышленности широко применяют ферментные препараты - источники комплекса кислых и нейтральных протеаз с целью интенсификации техно­логических процессов, повышения качества продукции, эффективной переработки отходов [31, 36, 37].

Применение липолитических ферментов перс­пективно в тех отраслях пищевой промышленности, где необходим частичный или полный гидролиз жиров [38-40]. Каталитическая особенность липаз заключа­ется в способности перераспределять жирные кислоты в реакционной смеси и замещать ими другие, входящие в состав глицеридов, осуществляя, таким образом, ре­акции этерификации.

Биокаталитические процессы в пищевых технологиях

Ферментные препараты являются важным факто­ром, способствующим глубокой переработке сельско­хозяйственного сырья, повышению выхода, качества и сохранности готовой продукции. Ферментативный катализ субстратов обеспечивает радикальное измене­ние функциональных свойств и фракционного состава сырья на различных этапах его переработки, расширяет возможности совершенствования традиционных пище­вых технологий, а также создания новых видов пищевых продуктов.

С использованием генетически модифицированных штаммов микроорганизмов, синтезирующих ферменты с различной субстратной специфичностью и механиз­мом действия, разработаны комплексные ферментные препараты целевого назначения. В основу теоретичес­кого обоснования подбора ферментной системы поло­жены знания о составе сырья и наличия в нем субстра­тов для биокаталитической конверсии ферментами, а также прогнозируемые результаты о заданной степени деструкции и предполагаемом составе продуктов гид­ролиза.

Основные характеристики ферментных препаратов для пищевой промышленности, а также способы их воздействия на субстрат, области и эффективность применения в перерабатывающих отраслях приведены в таблице.

Биокаталитическая конверсия крахмалсодержащего сырья

Для гидролиза крахмала используют ферменты амилолитического действия. К ним относятся ферменты разжижающего, декстринирующего и осахаривающеговоздействия на крахмал. Эти ферменты условно можно условно разделить на 3 группы: α-амилазы, глюкоамилазы и пуллуланазы (таблица). Из них α-амилаза и пуллуланаза являются ферментами эндодействия, а глюкоамилаза - экзодействия.

Роль амилолитических ферментов при гидролизе крахмала исключительно велика. Они атакуют не только клейстеризованный, но и нативный крахмал, разрушая крахмальные зерна [41]. Действуя на целое крахмальное зерно, α-амилаза атакует его, разрыхляя поверхность и образуя каналы и бороздки, т.е. как бы раскалывает зерно на части. Гидролиз крахмала происходит с образо­ванием не окрашиваемых йодом продуктов, состоящих в основном из низкомолекулярных декстринов. α-Ами­лазы действуют на а-1,4-глюкозидные связи, расщепляя амилозу внутри ее цепи, т.е. являются эндоамилазами. В результате многостадийного гидролиза крахмала об­разуются α-декстрины, затем тетра- и тримальтоза, гид­ролиз которых в дальнейшем дает мальтозу и глюкозу.

Глюкоамилаза предназначена для осахаривания час­тично расщепленных полимеров крахмала с образова­нием глюкозы. Глюкоамилаза - это фермент с экзоген­ным механизмом действия на субстрат, катализирует последовательное отщепление концевых остатков глюкозы с нередуцирующего конца субстрата. Глюкоамилаза отличается способностью к более быстрому гидролизу высокомолекулярных декстринов, чем олигосахаридов. Многие глюкоамилазы обладают способ­ностью так же быстро, как и α-1,4-связь, катализировать гидролиз α-1,6-глюкозидных связей. Но это происходит только в том случае, когда за α-1,6-связью следует α-1,4-связь, поэтому, например, декстран не гидролизуется.

Пуллуланаза катализирует внутренние α-1,6-связи в амилопектине и предельных декстринах с образова­нием мальтоолигосахаридов. Как и α-амилаза, пуллуланаза является ферментом эндодействия, но в отличие от нее способна неупорядоченно гидролизовать α-1,6-связи в пуллулане, амилопектине, гликогене и предель­ных декстринах, получаемых при совместном воздейс­твии на крахмал и гликоген α- и β-амилаз. Характерным субстратом для пуллуланазы является полисахарид пуллулан, представляющий собой глюкан, в котором молекулы мальтотриозы соединены между собой α-1,6-связями. Пуллулан содержит α-1,4 и α-1,6-глюкановые связи, что до некоторой степени сближает его с крахма­лом, делая их общим субстратом такого фермента, как пуллуланаза.

Амилопектин и β-предельные декстрины, предвари­тельно обработанные пуллуланазой, более глубоко гидролизуются амилолитическими ферментами, чем эти же субстраты в нативном состоянии. Так, совместное действие пуллуланазы и β-амилазы на амилопектин и гликоген приводит к полному их гидролизу. Атакуемость амилопектина возрастает и при использовании комплекса ферментов, содержащего пуллуланазу, глюкоамилазу и α-амилазу [15]. Синергизм действия этих ферментов позволяет повысить степень и скорость гидролиза крахмала.

Биокаталитическая конверсия белоксодержащего сырья

Для гидролиза белковых веществ применяют фер­менты протеолитического действия, которые по механизму действия, происхождению и эффектив­ности воздействия на белковые полимеры разделены на 2 основные группы: пептидазы КФ 3.4 - 11-15 и протеиназы КФ 3.4 - 21-24 [42, 43] (табл. 1).

В 1-й группе протеолитических ферментов подраз­деление осуществляется на основе механизма рас­щепления пептидных связей в пептидах. Протеазы, относящиеся к группе пептидаз, в основном являются ферментами экзодействия, катализирующими гидролиз пептидной связи с N- и (или) С-конца пептидной цепи и подразделяются по подклассам:

- α-аминоацилпептидгидролазы (КФ 3.4.11) - аминопептидазы;

- гидролазы пептидиламинокислот или ациламинокислот (КФ 3.4.12) - карбоксипептидазы;

- дипептидгидролазы (КФ 3.4.13) - дипептидазы;

- дипептидилпептидгидролазы (КФ 3.4.14) и пептидилдипептидгидролазы (КФ 3.4.15). Продуктами их гидролиза являются аминокислоты и низкомолеку­лярные пептиды.

2-я группа протеолитических ферментов - протеиназы - имеет 4 подподкласса, в которых все ферменты подразделяются в зависимости от особенностей меха­низма катализа, установленного по функционированию активного центра фермента, а также влияния рН на его активность. Протеиназы катализируют гидролиз пеп­тидных связей с образованием пептидов с различной молекулярной массой: сериновые (КФ 3.4.21), тиоловые (КФ 3.4.22), карбоксильные (КФ 3.4.23) и металлосодержащие (КФ 3.4.24).

Совместное каталитическое воздействие протеолитических ферментов на белковый субстрат обеспечивает наиболее высокую степень его конверсии до свободных аминокислот и низкомолекулярных пептидов [16, 34, 42-44]. Многие исследователи отмечают, что в гидролизатах образуются биоактивные пептиды, проявляющие иммуномодулирующие и антиоксидантные свойства [45, 46].

В последнее время в пищевой промышленности ис­пользуют ферментный препарат - источник трансглутаминазы (КФ 2.3.2.13) [47, 48]. Фермент впервые был описан в 1959 г. [50]. Трансглутаминаза катализирует об­разование ковалентных связей между свободными ами­ногруппами (например, связанной с белком или пепти­дом лизина) и γ-карбоксамидными группами глутамина. При этом формирование связей может происходить как между белками одного происхождения (например, растительного), так и между белками, отличающимися по типу (молочно-растительные), что дает возможность использовать трансглютаминазу в производстве про­дуктов смешанного состава. Эффективный диапазон действия фермента: от 30 до 60 °С, рН - от 3,0 до 9,0. При температуре свыше 70 °С начинается инактивация фермента.

Биокаталитическая конверсия полисахаридов растительного сырья

К ферментам, катализирующим гидролиз некрахмаль­ных полисахаридов растительного сырья, относятся ферменты целлюлолитического, гемицеллюлазного и пектолитического действия (см. таблицу). Эти пре­параты снижают вязкость зернового сусла, повышают доступность крахмала для действия амилолитических ферментов, что приводит к увеличению концентрации растворимых углеводов и способствует более интенсив­ному разжижению и улучшению реологических свойств [2, 27, 50]. Ферментные препараты гемицеллюлазного и целлюлолитического действия необходимы при пе­реработке ржаного и ячменного сырья в производстве спирта, пива и кормов. Эти виды сырья характеризуются повышенным содержанием целлюлозы, гемицеллюлозы и гумми-веществ, приводящим к геле- и студнеобразованию, повышению вязкости сусла и ухудшению его реологических показателей.

Практически все гемицеллюлазные ферменты можно разделить на три группы: β-D-глюканазы, β-ксиланазы и β-глюкозидазы;

К β-D-глюканазам относят группу ферментов, ката­лизирующую расщепление β-глюканов с β-1,2-, β-1,3-, β-1,4- и β-1,6-связями. В эту группу входят 6 энзимов: целлюлаза, или эндо-1,4-β-глюканаза, эндо-1,3-β-глю-каназа, эндо-1,6-β-глюканаза, ламинариназа, лихеназа и эндо-1,2-β-глюканаза.

К β-ксиланазам относится система ферментов, ка­тализирующих расщепление β-глюкозидных связей в β-ксиланах.

β-Глюкозидазы (целлобиазы) - ферменты экзогенного действия, катализируют расщепление с нередуцируемого конца β-1,4-связи в β-D-глюкозидах, высвобождая β-D-глюкозу.

При переработке растительного сырья ферменты гемицеллюлазного действия (β-глюканазы и ксиланазы), катализирующие гидролиз полисахаридов с образова­нием глюкозы и пентоз, выполняют свою определенную функцию, связанную с их специфичностью и механиз­мом действия [1, 7].

В результате анализа большого массива эксперимен­тальных данных выявлена зависимость реологичес­ких и биохимических характеристик зернового сусла и показателей бражки от концентрации гемицеллюлаз. При этом установлено, что использование фер­ментных препаратов - источников β-глюканаз -в результате ферментативной деполимеризации глюканов зерна позволяет повысить содержание глюкозы в реакционной среде и тем самым способствовать увеличению выхода целевого продукта. Применение ферментных препаратов ксиланолитического действия обеспечивает снижение вязкости сусла и улучшение его реологических показателей, что способствует интенси­фикации процесса биоконверсии полимеров зернового сырья.

При создании ресурсосберегающих технологий глу­бокой переработки зернового сырья необходимо учитывать не только содержание крахмала, но и состав белковых веществ и некрахмальных соединений. Для повышения эффективности биоконверсии полимеров зерна применяют специально подобранные целевые мультиэнзимные композиции, в состав которых наряду с традиционно используемыми амилазами включены комплексы протеиназ и пептидаз, β-глюканаз, ксиланаз, ферментов целлюлолитического действия. Синергизм действия ферментов с различной субстратной спе­цифичностью способствует улучшению реологических показателей зернового сусла, повышению бродильной активности дрожжей, ускорению процессов генерации дрожжей и спиртового брожения, повышению выхода целевого продукта [11, 16, 23, 51].

При переработке плодово-ягодного сырья в сокоморсовой и винодельческой промышленности наиболее ши­роко используют ферменты пектолитического действия, включающие полигалактуроназу, пектинэстеразу и др. [4, 7, 12, 18]. В работах ряда исследователей приводятся данные об эффективности комплексного воздействия пектолитических ферментов с ферментами, катализи­рующими гидролиз белков и полисахаридов [20, 24, 25]. В результате ферментативной деструкции полимеров плодово-ягодного сырья увеличивается выход соков, повышается их качество и стабильность при хранении.

Эффективность применения ферментных препаратов в производстве пищевых продуктов и биологически активных добавок

Современная концепция здорового питания предпола­гает повышение пищевой ценности пищевых продуктов путем введения в их состав источников биологически активных веществ [52-55]. Важной составляющей в сба­лансированном питании являются белковые вещества (полипептиды, низкомолекулярные пептиды и амино­кислоты).

Перспективным источником белка, аминокислотный скор которого приближается к животному (за исключе­нием серосодержащих аминокислот), являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. В работах многих исследова­телей показано, что белок дрожжей, состоящий из 466 аминокислотных остатков, характеризуется хорошей сбалансированностью незаменимых аминокислот, при добавлении метионина и цистеина он не уступает бел­кам мяса [51, 55]. Дрожжи богаты также витаминами, особенно группы В, и минеральными веществами [56]. Кроме того, клеточные стенки дрожжей Saccharomyces cerevisiae содержат полисахариды глюкано-маннановой природы, обладающие высокой сорбционной способ­ностью, на основе которых возможно создание препара­тов для регуляции деятельности желудочно-кишечного тракта [57]. Однако пищевая ценность микробной био­массы ограничена малой доступностью содержимого клетки для действия пищеварительных ферментов. Для повышения усвояемости внутриклеточных биологи­чески ценных компонентов разрабатываются различныеспособы обработки дрожжей, из них наиболее перспек­тивным является процесс ферментативной деструкции полимеров микробной клетки с целью выделения бел­ковых веществ и получения белково-аминокислотных обогатителей пищи.

Для получения продуктов заданного структурно-фракционного состава на основе дрожжевой био­массы разработана комплексная ферментативная система, обеспечивающая проведение направлен­ной биокаталитической деструкции субклеточных структур дрожжевой клетки Saccharomyces cerevisiae [51, 58]. В состав ферментативная системы входят ферменты, катализирующие гидролиз полисахаридов клеточных стенок дрожжей (р-глюканаза, маннаназа, протеиназа и хитиназа), и комплекс ферментов протеолитического действия грибного происхождения, содержащий протеиназы и пептидазы, для глубокого гидролиза белковых веществ протоплазмы дрожжевой клетки. В зависимости от степени деструкции субклеточных структур показана возможность получе­ния ферментолизатов биомассы дрожжей с заданным фракционным составом белковых веществ для про­изводства пищевых ингредиентов и продуктов [51, 59, 60].

Таким образом, биотехнология является одним из наиболее перспективных направлений науки, обес­печивающим развитие перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса, ориентированных на производство пищевой продукции и экологию. Про­блема полноценного обеспечения пищевых потребнос­тей населения может быть решена с привлечением ценных ингредиентов, получаемых на основе фермента­тивной конверсии растительного, животного и микроб­ного сырья.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 16-16-00104).

Литература

1. Поляков В.А., Римарева Л.В. Теоретические и практические аспекты развития спиртовой, ликероводочной, ферментной, дрожжевой и уксусной отраслей промышленности спиртовой, ликероводочной, ферментной, дрожжевой и уксусной отраслей промышленности : сборник научных трудов. М. : ВНИИПБТ, 2011. 298 с.

2. Поляков В.А., Римарева Л.В. Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов : Сборник научных трудов / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : ВНИИПБТ, 2012. 432 с.

3. Жеребцов Н.А., Корнеева О.С., Фараджева Е.Д. Ферменты и их роль в технологии пищевых продуктов. Воронеж : Изд-во ВГУ, 1999. 117 с.

4. Кислухина О.В. Ферменты в производстве пищи и кормов. М. : ДеЛи принт, 2002. 336 с.

5. Серба Е.М., Римарева Л.В., Погоржельская Н.С., Мочалина П.Ю. Ферментативный комплекс для биокаталитической деструкции полимеров микробного и растительного сырья // Acta Naturae. 2016. № S-2. С. 236-237.

6. Nomenclature Committee of the International Union of Biocemistry and Molecular Biology. Enzyme Nomenclature 1992 // Recommen­dation of the Nomenclature Committee of the International Union of Biocemistry and Molecular Biology on Nomenclature and classifi­cation of enzymes. San Diego : Academic Press, 1992. 372 p.

7. Грачева И.М., Кривова А.Ю. Технология ферментных препаратов. М. : Элевар, 2000. 512 с.

8. Варфоломеев С.Д., Пожитков А.Е. Активные центры гидролаз: основные типы структур и механизм катализа // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2000. Т. 41, № 3. С. 147-156.

9. Лысенко Л.А., Немова Н.Н., Канцерова Н.П. Протеолитическая регуляция биологических процессов. Петрозаводск : Карельский научный центр РАН, 2011. 482 с.

10. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия : учебное пособие. М. : Дрофа, 2004. 638 с.

11. Серба E. M., Оверченко M. Б., Римарева Л.В., Погоржельская Н.С., Давыдкина В.Е., Поляков В.А. Скрининг активных популяций гриба Aspergillus oryzae по способности к синтезу промышленно значимых метаболитов // Микология и фитопатология. 2017. № 1. С. 47-53.

12. Курбатова Е.И., Соколова Е.Н., Борщева Ю.А, Давыдкина В.Е., Римарева Л.В., Поляков В.А. и др. Микромицет Aspergillus foetidus - продуцент комплекса гидролитических ферментов // Микология и фитопатология. 2017. № 1. С. 34-40.

13. Polizeli M.L., Rizzatti A.C.S, Monti R., Terenzy H.F., Jorge J.A., Amorim D.S. Xylanases from fungi: properties and industrial applica­tions // Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 67. Р. 577-591.

14. Rozhkova A.M., Semenova M.V., Rubtsova E.A., Sereda A.S., Tsurikova N.V., Rimareva L.V.et al. Creation of a heterologous gene expression system on the basis of Aspergillus awamori recombinant strain // Appl. Biochem. Microbiol. 2011. Vol. 47, N 3. P. 279-287.

15. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Трифонова В.В., Игнатова Н.И. Амилолитический комплекс для интенсификации осахаривания и сбраживания крахмалсодержащего сырья // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2002. № 1. С. 32-33.

16. Римарева Л.В., Оверченко М.Б. Использование протеолитического ферментного препарата из Aspergillus oryzae в спиртовом брожении // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2005. № 4. С. 12-14.

17. Кнопова С.И., Савенкова Т.В. Технологические аспекты при­менения комплексного ферментного препарата в производс­тве крекера // Микробные биокатализаторы для перераба­тывающих отраслей АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : ВНИИПБТ, 2006. С. 77-81.

18. Козлова Н.А., Гореньков Э.С., Киселева Л.В. Разработка техно­логии и оборудования для непрерывной ферментной обработ­ки плодовых сокоматериалов// Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : ВНИИПБТ, 2006. С. 242-245.

19. Агаркова Е.Ю., Березкина К.А., Кручинин А.Г., Николаев И.В. Проектирование протеолиза молочных белков для создания функциональных продуктов со сниженной аллергенностью // Материалы Международной научной конференции "Пищевые инновации и биотехнологии". Кемерово : ФГБОУ ВПО "Кем-ТИПП", 2014. С. 21-23.

20. Курбатова Е. И., Римарева Л.В., Трифонова В.В., Воробьева Е.В. Исследование оптимальных условий ферментативной обработ­ки яблочной мезги при производстве полуфабрикатов ликеро-водочных изделий // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2005. № 4. С. 25-30.

21. Матвеева И.В., Белявская И.Г. Биотехнологические основы при­готовления хлеба. М. : ДеЛи принт, 2001. 150 с.

22. Поландова Р.Д. Современные технологические решения исполь­зования ферментных препаратов в хлебопечении России // Микробные биокатализаторы и перспективы развития фер­ментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : Пищепромиздат, 2004. С. 308-311.

23. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Серба Е.М., Игнатова Н.И Влияние ферментативных систем на биохимический состав зернового сусла и культуральные свойства осмофильной расы спиртовых дрожжей // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2013. № 1. С. 18-20.

24. Римарева Л.В., Курбатова Е.И. Патент на изобретение № 2305463 "Мультиэнзимная композиция для получения осветленного яблочного сока и способ получения осветленного яблочного сока". 2006.

25. Соколова Е.Н., Курбатова Е.И., Римарева Л.В., Давыдкина В.Е., Борщева Ю.А. Биотехнологические аспекты направленной ферментативной деструкции клеточных стенок растительного сырья для получения экстрактов с повышенным содержа­нием биологически ценных веществ в качестве компонентов функциональных напитков // Вопр. питания. 2016. Т. 85, № 2. С. 151-152.

26. Григорьев М.А., Серба Е.М., Оверченко М.Б. Исследование про­цесса ферментации зерновой композиции для конструирования продуктов питания // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 2. С. 61-63.

27. Римарева Л.В. Совершенствование биотехнологических процес­сов в спиртовом производстве с использованием ферментатив­ного катализа // Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отрас­лях АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : Пищепромиздат, 2004. С. 195-208.

28. Семенова М.В., Зоров И.Н., Синицын А.П., Окунев О.Н., Барыш­никова Л.М., Цурикова Н.В. Состав и свойства ферментного комплекса, секретируемого высокопродуктивными мутантными штаммами Aspergillus awamori, используемыми в спиртовой промышленности // Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК : сборник. М. : ВНИИПБТ, 2006. С. 77-81.

29. Шурхно Р.А., Агзамов Р.З. Основы биоконверсии растительного сырья : учебно-методическое пособие. Казань : Изд-во КНИТУ, 2014. 100 с.

30. Norouzian D., Akbarzadeh А., Scharer J.M., Young М.М. Fungal glucoamylases // Biotech. Adv. 2006. Vol. 24. P. 80-85.

31. Харитонов В.Д., Будрик В.Г., Агаркова Е.Ю., Кручинин А.Г., Березкина К.А., Попов В.О. и др. Рациональный дизайн биокаталити­ческой конверсии молочных белков для создания продуктов со сниженной аллергенностью // Материалы Международной научно-практической конференции "Биотехнология и качество жизни". М., 2014. С. 334-335.

32. Серба Е.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Курбатова Е.И., Рач­ков К.В., Игнатова Н.И. и др. Получение ферментолизатов мицелиальной биомассы для создания пищевых и кормовых до­бавок // Пищ. пром-сть. 2016. № 6. С. 20-24.

33. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Давыдкина В.Е., Шелехова Н.В., Римарева Л.В., Поляков В.А. Научно-практические аспекты получения БАД на основе конверсии вторичных биоресурсов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 2. С. 44-50.

34. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Погоржельская Н.С., Курбатова Е.И., Поляков В.А., Римарева Л.В. Зависимость степени деструкции белковых веществ микробной биомассы от состава протеолитического комплекса // Вестн. Рос. сельскохозяйственной науки. 2015. № 2. С. 48-51.

35. Поляков В.А., Римарева Л.В., Курбатова Е. И., Соколова Е.Н., Борщева Ю.А., Тесля А.В. Получение белковых обогатителей пищи на основе ферментативной деструкции белково-полисахаридного комплекса клеточных стенок дрожжей // Пищ. промсть. 2012. № 11. С. 42-44.

36. Чурсин В.И. Биокатализ в процессах обработки кожевенного сырья и коллагенсодержащих материалов // Микробные биока­тализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК : сборник. М. : Пищепромиздат, 2004. С. 137-144.

37. Шестаков И.С, Моисеева Л.В. Миронова Т.Ф. Ферменты в коже­венном и меховом производстве. М. : Легпромбытиздат, 1990. 128 с.

38. Guo Z., Xu X. New opportunity for enzymatic modification of fats and oils with industrial potentials // Org. Biomol. Chem. 2005. Vol. 3, N 14. P. 2615-2619.

39. Gupta R., Gupta N., Rathi P. Bacterial lipases: an overview of pro­duction, purification and biochemical properties // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 64, N 6. P. 763-781.

40. Schrag, J. D., and M. Cygler. Lipases and alpha-beta hydrolase fold // Methods Enzymol. 1997. Vol. 284. P. 85-107.

41. Лукин Н.Д., Бородина З.М., Папахин А.А., Шаталова О.В., Кривандин А.В. Исследование действия амилолитических фер­ментов на нативный крахмал различных видов в гетероген­ной среде // Достижения науки и техники АПК. 2013. № 10. С. 62-64.

42. Римарева Л.В., Оверченко М. Б., Серба Е.М., Трифонова В.В. Сравнительная характеристика микробных протеаз по степени гидролиза белковых субстратов // Приклад. биохим. 1997. Т. 33, № 1. С. 43-48.

43. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Соколова Е.Н., Серба Е.М., Игнатова Н.И., Медриш М.Э. и др. Ферменты протеолитического действия и их биокаталитические особенности при конверсии зернового сырья // Вестн. Рос. сельскохозяйственной науки. 2016. № 6. С. 62-64.

44. Аксенова Л.М., Римарева Л.В. Направленная конверсия белко­вых модулей пищевых продуктов животного и растительного происхождения // Вестн. РАН. 2017. Т. 87, № 4. С. 355-357.

45. Jorgensen A.L.W., Juul-Madsen H.R., Stagsted J. Colostrum and bioactive colostral peptides differentially modulate the innate immune response of intestinal epithelial cells // J. Pept. Sci. 2010. Vol. 16. P. 21-30.

46. Sarmadi B.H., Ismail А. Antioxidative peptides from food proteins: a review // Peptides. 2010. Vol. 31. P. 1949-1956.

47. Зобкова З.С., Фурсова Т.П., Зенина Д.В., Римарева Л.В., Сер­ба Е.М., Курбатова Е.И. и др. Влияние способа внесения трансглутаминазы на структурно-механические свойства йогурта и протеолитическую активность заквасочных культур // Хране­ние и переработка сельхозсырья. 2014. № 3. С. 28-32.

48. Зобкова З.С., ФурсоваТ.П., Зенина Д.В.,Гаврилина А.Д., Шелагинова И.Р., Шефов Д.А. и др. Исследование влияния условий применения препаратов трансглутаминазы на качество смета­ны // Переработка молока. 2015. № 5. С. 38-42.

49. Clarke D.D., Mycek M.J., Neidle A., Waelsch H. The incorporation of amines into proteins // Arch. Biochem. Biophys. 1959. Vol. 79. P. 338-354.

50. Середа А.С., Игнатова Н.И., Оверченко М.Б., Цурикова Н.В., Римарева Л.В., Рожкова A.M. и др. Исследование гидролити­ческой способности комплексных ферментных препаратов, полученных на основе высокоэффективных рекомбинантных штаммов Aspergillus awamori, по отношению к полисахаридам зернового сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 3. С. 54-56.

51. Серба Е.М., Поляков В.А. Биотехнологические основы комплек­сной переработки зернового сырья и вторичных биоресурсов в этанол и белково-аминокислотные добавки. М. : ВНИИПБТ. 2015. 133 с.

52. Спиричев В.Б. Научные принципы обогащения пищевых продук­тов микронутриентами // Вопр. питания. 2000. № 4. С. 13-19.

53. Тутельян В.А. Биологически активные добавки к пище как неотъемлемый элемент здорового оптимального питания // Сборник научных трудов. 2002. № 1. С. 4-9.

54. Лавинский Х.Х., Дорошевич В.И., Бацукова Н.Л., Замбржицкий О.Н. Научные основы коррекции статуса питания // Изв. Нац. акад. наук Беларуси. Серия медицинских наук. 2006. № 2. С. 47-55.

55. Римарева Л.В. Теоретические и практические основы биотехно­логии дрожжей : Учебное пособие. М. : ДеЛи принт, 2010. 256 с.

56. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Шелехова Н.В., Серба Е.М., Кривова А.Ю. Исследование внутриклеточного ионного состава биомассы дрожжей Saccharomyces cerevisiae // Рос. сельскохозяйственная наука. 2017. № 1. С. 51-54.

57. Kurbatova E.I., Serba E.M., Rimareva L.V., Borshcheva Y.A., Sokolova E.N., Fursova N.A.et al. Enhancement of the adsorptive and antimicrobial properties of the yeast cell walls by enzymatic processing // RJPBCS (Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences). 2017. Vol. 8, N 3. P. 2133-2138.

58. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Давыдкина В.Е., Шелехова Н.В., Римарева Л.В., Поляков В.А. Научно-практические аспекты получения БАД на основе конверсии вторичных биоресурсов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 2. С. 44-50.

59. Серба Е.М., Римарева Л.В., Курбатова Е.И., Волкова Г.С., Поля­ков В.А., Варламов В.П. Исследование процесса ферментатив­ного гидролиза биомассы дрожжей для создания пищевых инг­редиентов с заданным фракционным составом // Вопр. питания. 2017. № 2. С. 76-84.

60. Поляков В.А., Римарева Л.В., Серба Е.М., Погоржельская Н.С., Рачков К.В. Биологически активные добавки микробного проис­хождения как фактор, формирующий функциональные свойс­тва пищевых продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 12. С. 43-47.

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.