Необхідність застосування в хлібопекарському виробництві екзогенних ферментів пов'язана в основному з нестачею ендогенних ферментів, особливо в борошні високих сортів, при одержанні яких видаляються периферійні частини зерна, що містять основну кількість ферментів зерна.
Ферментні препарати широко застосовують у хлібопекарському виробництві як технологічні добавки-поліпшувачі. Перевагами ферментів є природне походження і висока специфічність дії, що дозволяє забезпечувати екологічність продуктів і відсутність негативних ефектів, що проявляються на пізніх стадіях технологічного процесу. Застосування ферментів дозволяє також розширювати асортимент продукції, економити сировину та енергію.
Основними завданнями, які розв'язуються за допомогою ферментів, є підвищення якості хліба (особливо при використанні борошна з низькими хлібопекарськими властивостями) і прискорення технології його виробництва, насамперед, на найбільш тривалому етапі – приготуванні тіста. У хлібопекарстві застосовують препарати амілолітичних, протеолітичних, целюлолітичних, ліполітичних і окисно-відновних ферментів (табл. 6.4).
За винятком окремих препаратів високоочищених ферментів, ферментні препарати, що застосовуються в хлібопекарському виробництві, є мультиензимними з переважною активністю одного або декількох ферментів. Крім того, у зв'язку з тим, що тісто є складною багатокомпонентною біоколоїдною системою, складові якої знаходяться у постійній взаємодії, широко застосовують одночасне використання декількох ферментних препаратів, що забезпечує синергічний ефект дії ферментів.
Ферменти використовують також для поліпшення якості хлібобулочних виробів із заморожених напівфабрикатів. При заморожуванні тіста внаслідок утворення кристалів льоду відбувається пошкодження дріжджових клітин і руйнування тривимірної структури білків, що призводить до ослаблення клейковини. Тому заморожені хлібобулочні напівфабрикати вимагають більш тривалої витримки перед випіканням, а вироби із замороженого тіста часто мають недостатній об'єм і незадовільну якість. Цього можна уникнути шляхом додавання ферментів, що сприяють посиленню газоутворення в тісті і зміцненню структури клейковини. Найбільш часто застосовують такі ферменти як α-амілаза, ксиланаза і глюкозооксидаза або різні комбінації цих ферментів.
Таблиця 6.4
Основні напрямки використання ферментів при виробництві хліба
| Ферменти | Мета застосування |
| α-Амілази, глюкоамілази | Збільшення об’єму, покращення кольору скоринки, аромату, продовження терміну зберігання хліба |
| Протеази | Збільшення пористості і об’єму хліба внаслідок зменшення в’язкості і збільшення пластичності тіста |
| Геміцелюлози, целюлази | Збільшення стабільності тіста, пористості і об’єму, уповільнення черствіння хліба з підвищеним вмістом структурних полісахаридів |
| Ліпази | Збільшення стабільності тіста, покращення кольору і стану скоринки, структури і кольору м’якушки, уповільнення черствіння |
| Ліпоксігенази, глюкозооксидази і каталази | Регуляція реологічних властивостей тіста шляхом укріплення клейковини |
6.6. Ферменти у виноробстві
Технологія виноробства заснована на регулюванні процесів, що каталізуються ферментами сировини, її мікрофлори, культурних штамів дріжджів і бактерій – збудників бродіння. Поряд з цим використовують промислові препарати гідролітичних ферментів різної специфічності. Обробку ферментними препаратами проводять на стадіях одержання соку, підготовки сусла до бродіння, стабілізації вин. Спосіб застосування ферментних препаратів визначається якістю сировини і видом вироблюваної продукції.
Для інтенсифікації технологічних процесів у виноробстві ферментна промисловість пропонує ряд комплексних препаратів грибного походження, які відрізняються за величиною активності та співвідношенням гідролітичних ферментних систем, що здійснюють різноманітний вплив на високомолекулярні речовини винограду та вина. При одержанні ординарних вин всіх типів широке застосування отримали пектолітичні ферментні препарати Пектаваморин П10х і Г10х, а також Пектофоетидин П10х і Г10х. Препарати стандартизують за загальною пектолітичною активністю; в якості основних ферментів вони містять полігалактуроназу ендо- та екзодії та пектинестеразу, а в якості супутніх – протеїнази, целюлази та геміцелюлази. Активність кислої протеїнази у препараті Пектофоетидин П10х удвічі вища, порівняно з препаратом Пектаваморин П10х. Оптимальні умови дії препаратів: рН 3,5-4,0, температура 35-40 °С.
При одержанні кріплених, а також червоних столових виноматеріалів ферментні препарати вносять у дробину, при цьому збільшується загальний вихід сусла на 1-5 %, а сусла-самотоку – на 10-20 %, полегшується пресування, збільшується вміст екстрактивних речовин та інтенсивність забарвлення, прискорюються біохімічні процеси, які проходять при дозріванні вин.
При приготуванні білих столових вин ферментні препарати вносять у сусло. Процес освітлення сусла прискорюється у 2-3 рази, кількість осаду зменшується на 4-5 %. Пектолітичні ферментні препарати можуть бути використані для обробки важкоосвітлюваних виноматеріалів. При цьому значно зменшується витрата оклеюючих речовин, підвищується стійкість вин до помутніння колоїдного характеру.
З позитивним технологічним результатом було апробовано застосування експериментальних партій протеолітичних ферментних препаратів – Протаваморину П10х та Проторизину П10х, які каталізують гідроліз білкових речовин сусла і вина, що супроводжується накопиченням пептидів та амінокислот. Розроблено спосіб іммобілізації кислої протеїнази, виділеної із ферментного препарату Пектаваморин П10х, який дозволив багатократно використовувати фермент, підвищити його стабільність до інгібуючої дії середовища і створити безперервний спосіб обробки виноградного соку та вин з метою видалення помутнінь білкового характеру.
Використання целюлолітичних і пектолітичних ферментних препаратів дозволяє вдосконалити технологію переробки солодких виноградних вижимок. При цьому збільшується вихід-сирцю і знижується відсоток домішок у осаді виннокислого вапна. Дозування ферментних препаратів, яке залежить від їх активності, встановлюють пробною обробкою. Зазвичай використовують суспензії ферментних препаратів концентрацією від 1 до 10 %, які готують безпосередньо перед внесенням в оброблюваний матеріал.
Перспективи подальшого вдосконалення прийомів ферментативного каталізу у виноробстві пов’язані зі створенням композицій високоочищених ферментів точно визначеного складу, а також з одержанням іммобілізованих форм різних ферментних препаратів.
6.7. Ферменти у пивоварінні
Класична технологія пива основана на біотехнологічних процесах, в яких використовуються ферменти ячмінного солоду і дріжджів. У пивоварінні не намагаються досягти максимально можливого ступеню розщеплення полімерів сировини, так як для створення повноти смаку і піноутворення пива необхідні продукти неповного гідролізу крохмалю, білку і основного компоненту клітинних стінок ендосперму ячменю – глюкана.
Гідроліз крохмалю здійснюється амілазами солоду. В сприятливих умовах дії амілаз солоду в середньому 85 % його оцукрюючої здатності відноситься до β-амілази і 15 % – до α-амілази; глибина гідролізу крохмалю цими ферментами не перевищує 95 %.
Під впливом α-амілази утворюються в основному декстрини з невеликою молекулярною масою і незначна кількість мальтози. Під дією β-амілази – більше мальтози і менше декстринів.
Одержання сусла із солоду високої якості не потребує додаткового внесення ферментних препаратів. Якщо солод поганої якості й проявляє низьку активність ферментів під час затирання, – це призводить до зниження виходу екстракту, збільшення тривалості відділення сусла, уповільнення процесу бродіння, зменшення кількості утвореного спирту, зниження швидкості фільтрації пива та його стійкості, погіршення аромату кінцевого продукту. В такому випадку необхідно, крім солодових ферментів, використовувати і ферменти, одержані промисловим способом.
При необхідності корекції ферментативної активності на стадії приготування сусла обов’язковим є присутність у складі препаратів, що вносяться, α-амілаз, пептидаз і геміцелюлаз, β-глюканаз, ксиланаз та ін. Найбільш ефективним методом є додавання термостабільної α-амілази, що дозволяє скоротити цикл розварювання і внаслідок того, що потрібна відносно незначна кількість ферменту порівняно з кількістю солоду, в варильний апарат можна помістити більше зерна.
Однією з основних переваг використання термостабільної α-амілази, порівняно з солодом, є можливість уникнення ризику потрапляння із котла для розварювання зерна в заторний апарат залишкового крохмалю, наявність якого може створити проблеми при фільтруванні пива і спричинити його помутніння.
Максимальний рівень зброджування пива, одержаного за традиційною технологією, становить 66-70 % внаслідок присутності в суслі декстринів. Шляхом збільшення тривалості затирання або застосування солоду високої активності в бродильному апараті рівень зброджування можна збільшити до 75 %.
У випадку затухаючого або неповного бродіння використання у бродильному апараті грибної α-амілази дає незначне збільшення зброджування (на 1-2 одиниці). Використання ферментів, здатних гідролізувати α-1,6-звязки в амілопектині – пулуланази і амілоглюкозидази (глюкоамілази) разом з грибною α-амілазою або β-амілазою дозволяє підвищити рівень зброджування пива до 85 %.
Глюкоамілаза володіє відносно високою термостабільністю, і при додаванні у бродильний апарат може витримувати температуру пастеризації, зберегтися на наступних етапах і потрапити у готове пиво. В результаті, при наявності будь-якого субстрату в пиві, його солодкість може підвищитися під час зберігання в упакованому вигляді. Тому інколи додають амілоглюкозидазу в затор або в сусло після відділення для того, щоб інактивувати цей фермент при кип’ятінні.
За допомогою ферментів, що додатково вносяться, вирішується також задача стабілізації пива від колоїдних помутнінь, що являють собою комплекси нейтральних полісахаридів, білків, поліфенолів та іонів полівалентних металів. Частка вуглеводів у колоїдних частинках муті складає до 80 % (переважно глюкан). Для уникнення колоїдних помутнінь пива необхідно гідролізувати полімери, що входять до складу колоїдних частин. Більшість ферментних способів стабілізації основано на застосуванні протеолітичних препаратів, тобто на розщепленні білкової складової колоїдних частин. Наряду з цим використовують препарати амілаз, глюканаз, целюлаз.
В Росії і Україні застосовують препарати Протосубтилін, Амілоризин, Пектофоетидин, Целонігрин та ін. Для стабілізації пива використовують як індивідуальні ферментні препарати, так і мультиензимні композиції.
Підвищення біологічної стійкості можливо за рахунок лізису бактеріальної і дріжджової мікрофлори пива. З цією метою використовують препарати літичних ферментів широкого спектру дії, перш за все, літичні пептидази, універсальність яких основана на їх дії на білкові компоненти, що присутні в клітинних стінках мікроорганізмів всіх таксономічних груп.
Протеази активують автоліз мікроорганізмів, що в умовах лімітації їх росту призводить до зниження чисельності. Тому застосування протеаз для стабілізації пива від колоїдних помутнінь одночасно підвищує і його біологічну стійкість.
6.8. Трансферази – новий крок у харчовій промисловості
Демографічний вибух світового населення надає особливо важливого значення розвитку нових методів використання харчових білків, що вирішить проблему, викликану дефіцитом харчових продуктів. У процесі технологічної переробки білоквмісної сировини якість готових продуктів залежить, в першу чергу, від фізико-хімічних властивостей білкових молекул. Таким чином, надання готовим продуктам потрібних властивостей (органолептичних, структурно-реологічних) зводиться до модифікації білкових молекул. Новим у виробництві й застосуванні для харчової промисловості є напрям, пов'язаний з використанням ферментів трансфераз, і, зокрема трансглутаміназ (ТГ).
Модифікація харчових білків ТГ призводить до одержання текстурованих продуктів, модифікує розчинність і функціональні властивості та дозволяє одержувати білки високої харчової і біологічної цінності. Фермент ТГ може прискорювати ацилотрансферні реакції між γ-карбоксиламідними групами пептидного зв’язку залишками глютаміну і різноманітними первинними амінами. Трансглутамінази (ЄС 2.3.2) каталізують реакції утворення поперечних зв’язків у молочних білках, білках сої, пшеничній клейковині, міозині, казеїні та ін.
Застосування ТГ найрізноманітніше:
· зернові продукти – одержання виробів високої якості навіть при використанні борошна з пониженою якістю клейковини;
· приправи – покращення смаку і запаху різноманітних м’ясних страв, а також збільшення терміну придатності готових страв;
· молочні продукти – одержання йогуртів, сирів;
· м'ясо –одержання виробів із заданою пружністю, соковитістю;
· морепродукти – зменшення втрат при розморожуванні.
ТГ безперечно має великий потенціал для зміни структури харчових білків, однак виникає необхідність масового виробництва ферменту. В Україні не проводяться роботи, пов’язані із мікробіологічним синтезом ферментів трансглутаміназ. На сьогодні комерційну ТГ одержують з тканин тварин. Процедура очищення і розділення ферменту є досить дороговартісною, що перешкоджає широкому використанню ферменту в харчовій промисловості.
Вченими проводиться постійний пошук нових ефективних продуцентів ферментів серед мікроорганізмів. Головними причинами того, що саме мікроорганізми слугують потенційними продуцентами ферментів, є:
- їх здатність до генетичної мінливості, тобто можливість одержання надпродуцентів необхідних ферментів;
- економічність вирощування мікробних клітин у великих масштабах у зв’язку з використанням недорогих середовищ і швидкого росту мікроорганізмів;
- велика здатність мікроорганізмів пристосовуватись до різних умов навколишнього середовища.
У 1980 році японські вчені показали можливість одержання ТГ за допомогою актиноміцетів. Було детально вивчено близько 5000 ґрунтових ізолятів, одержаних із різних джерел. На даний момент у лабораторних умовах розроблено технологію одержання ТГ за допомогою продуцента Sreptomyces mobaraensis Ас-928 на мінеральному середовищі з крохмалем і поліпептоном. Крім того, хімічний склад середовища подібний до хімічного складу мучки (відход переробки зерна), яка може бути потенційним середовищем для вирощування актиноміцетів та одержання ТГ у промислових масштабах.
Контрольні запитання
1. Які основні напрями досліджень щодо пошуку нових можливостей використання ферментів у харчовій промисловості?
2. Як класифікують ферменти? До якого класу належать найбільш промислово важливі ферменти?
3. Як характеризують активність ферментних препаратів?
4. Які основні напрямки використання ферментів у виробництві молочних продуктів?
5. З якою метою застосовують ферментні препарати у хлібопекарському виробництві?
6. Яке значення ферментів у виноробстві та пивоварінні?
7. Назвіть найбільш поширені продуценти ферментів, що використовуються в молочній промисловості.
8. У чому суть використанням ферментів трансфераз у харчовій промисловості?