Ферментные препараты и биокаталитические процессы в пищевой промышленности

РезюмеФерментные препараты играют существенную роль в биотехнологических процессах получения пищевой продукции. Представлены классификация ферментов, специфичность их действия на различных субстратах и процессы получения ферментных препаратов на основе микроорганизмов - продуцентов ферментов. Проведен мониторинг мирового и отечественного рынка ферментных препаратов, используемых в пищевой промышленности. Рассмотрены вопросы эффективной биоконверсии различных видов растительного сырья для повышения качества получаемых соков, морсов, снижения вязкости и увеличения выхода биологически ценных компонентов для производства функциональных пищевых продуктов; микробного сырья - для получения белково-аминокислотных, витаминных обогатителей пищи, а также пищевых ингредиентов; животного сырья - для интенсификации технологических процессов, переработки отходов мясной, молочной промышленности, а также в сыроделии для повышения качества выпускаемой продукции. Предлагаемый обзор представляет научно-практический интерес для специалистов в области биотехнологии производства пищевых продуктов, получаемых на основе ферментативной конверсии различных видов сельскохозяйственного сырья.

Ключевые слова:ферментные препараты, биотехнология, субстратная специфичность, конверсия, ресурсосберегающая технология, сельскохозяйственное сырье, пищевые продукты

Вопр. питания. 2017. Т. 86. № 5. С. 62-74. doi: 10.24411/0042-8833-2017-00078.

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 - 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 -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 -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 -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 -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.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)

SCImago Journal & Country Rank
Scopus CiteScore
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Тутельян Виктор Александрович
Академик РАН, доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»

Журналы «ГЭОТАР-Медиа»