Отримання та використання ферментних препаратів
Ферменти здатні здійснювати каталітичні функції поза клітиною і поза організмом, тому для практичних цілей становить великий інтерес виділення ферментів та їх використання у харчовій, легкій, медичній та деяких інших галузях промисловості, сільському господарстві, на підприємствах громадського харчування тощо.
Застосування ферментів дозволяє здебільшого інтенсифікувати технологічні процеси, підвищувати якість готового продукту, покращувати його товарний вигляд, знижувати собівартість виробництва (зменшить витрату сировини), розширювати сировинні ресурси.
В даний час створюється потужна галузьбіотехнологія, заснована на використанні ферментів.
Ферментні препарати застосовують у хлібопеченні, виноробстві, спиртовому, пивоварному та соко-екстрактному виробництвах, у кондитерській, крохмалопатковій, м'ясопереробній та рибній промисловості, у сироробстві та інших галузях харчової промисловості, у сільському господарстві – при приготуванні кормів, у легкій промисловості – при обробці , льону, хутра, в медичній промисловості – для отримання ліків і т.д.
Велика роль ферментів у процесах переробки харчової сировини та при зберіганні товарів. Під дією ферментів відбувається дозрівання сирів, м'яса, риби при посоле, чаю, вина, в результаті якого продукти набувають певного смаку і аромату. Такі галузі харчової промисловості, як сироваріння, в'ялення риби, бродильна промисловість, виробництво кисломолочних продуктів, квашення овочів, хлібопечення та інші, ґрунтуються на ферментативних процесах. Правильний добір мікрофлори під час виробництва товарів істотно впливає якість продукції. Процеси в органах травлення, обмін речовин в організмі відбуваються під дією каталізації.ферментів.
Завдяки особливостям ферментативних реакцій, які протікають при невисокій температурі дуже швидко, без небажаних змін продукту, оскільки ферменти, що вносяться в невеликих кількостях, впливають тільки на певну складову частину сировини, не викликаючи змін інших речовин, обробка ферментами рослинної та тваринної сировини дуже зручна.
Додавання ферментів до пшеничного борошна скорочує процес хлібопечення та покращує смак та аромат хліба. Процес освітлення фруктових соків можна прискорити ферментами. Застосування пектолітичних ферментів, глюкооксидази та каталази, що викликають гідроліз пектинових речовин, дозволяє підвищити вихід соку зі слив, абрикосів, персиків та чорної смородини на 25 – 30 %.
Обробка м'яса ферментними препаратами папаїну, фіцину, бромеліну, панкреатину та іншими прискорює процес дозрівання м'яса, покращує смак, сприяє розм'якшенню жорстких частин м'ясної туші.
У деяких випадках ферменти викликають погіршення якості або псування харчових продуктів: почорніння очищеної картоплі, потемніння грибів, яблук, руйнування вітаміну С, прогоркання та осолювання жирів, прокисання, бродіння, гниття продуктів. Інтенсивність дихання зерна, картоплі, овочів та фруктів при зберіганні, ростові процеси, імунітет до хвороб залежить від активності ферментів.
Для зниження активності ферментів при зберіганні продукти, що швидко псуються, поміщають у камери з низькою температурою (в охолодженому або замороженому стані) в регульованому газовому середовищі, із застосуванням будь-яких консервантів або вживають заходів до інактивації ферментів. Управління активністю ферментів лежить в основі заходів щодо зберігання та переробки продуктів.
Промислове отримання ферментних препаратів зрослинної та тваринної сировини лімітується обмеженістю сировинних ресурсів та відносно невеликим асортиментом ферментів, які можуть бути з нього отримані. Тому найперспективніше виробництво ферментів мікробного походження, оскільки джерело мікробіологічної сировини величезний і набір ферментів у цій сировині дуже широкий.
Продуцентами ферментів можуть бути бактерії, гриби, дріжджі, актиноміцети. Багато мікроорганізмів можуть синтезувати одночасно комплекс ферментів, але є й такі, які накопичують у найбільших кількостях лише один фермент.
Ферментний препарат відрізняється від чистого ферменту тим, що в ньому містяться баластові речовини та кілька інших ферментів.
Для виробничих цілей ферментні препарати можуть не піддаватися ретельному очищенню, тоді як для науково-дослідних робіт та лікарських цілей нерідко потрібно виділяти ферменти в чистому вигляді.
Джерелом отримання ферментних препаратів є також органи і тканини тварин, багаті ферментами. Так, підшлункова залоза багата на хімотрипсин, трипсин, коллогеназу та ін; слизова оболонка свинячих шлунків та сичугів великої рогатої худоби містить ферменти пепсин та ліпазу; у сичужках молочних телят і ягнят знаходиться сичужний ферментреннін, що використовується для згортання молока при виробництві сирів.
З рослинної сировини для промислових цілей найчастіше виділяютьпротеолітичніферменти - папаїн з динного дерева (папайї), фіцин - з рослини інжиру, бромелаїн - з ананаса. Всі ці препарати значно покращують якість м'яса, сприяючи розм'якшенню жорстких частин. З пророслого зерна одержують ферментні препарати для гідролізу крохмалю.
Широко відомі препаратиамілолітичних, пектолітичних та протеолітичних ферментів, глюкооксидази, каталази та інші, одержувані за допомогою мікроорганізмів.
Плісневі гриби, дріжджоподібні мікроорганізми та спороносні бактерії синтезують амілолітичні ферменти. Для отримання амілолітичних ферментних препаратів найчастіше використовують гриби роду Aspergillus видів oryzae, awamori та ін.
Пектолітичні ферменти одержують за допомогою Penicillum glaucum, Penicillum expansum, Aspergillus та деяких інших.
Протеолітичні ферменти здатні вироблятися багатьма пліснявими грибами, актиноміцетами та бактеріями. Але найчастіше використовуються як продуценти Bac. subtilus та гриби різних видів роду Aspergillus.
Продуцентами глюкооксидази та каталази є деякі види грибів роду Aspergillus та Penicillum.
Амілолітичніферментні препарати застосовують у хлібопекарській промисловості для покращення якості та аромату хліба. У цьому час дозрівання тесту знижується на 30 %, а витрата цукру виробництва булочних виробів вищих сортів зменшується вдвічі. У пивоварній, спиртовій та крохмалопатковій промисловості амілолітичні ферменти застосовують для оцукрювання крохмалю. У пивоварній промисловості застосування ферментних препаратів дозволяє заощадити близько 165 кілограмів ячменю під час виробництва кожного декалітра пива.
Застосуванняпектолітичнихферментів, глюкооксидази та каталази, що викликають мацерацію клітинних стінок та гідроліз пектинових речовин, дозволяє підвищити вихід соку зі слив, абрикосів, персиків та чорної смородини на 25 – 30 %.
Ферментглюкозофосфатизомеразаздатний перетворювати глюкозу на фруктозу, і навпаки. На цьому ґрунтується отримання фруктози з глюкози в умовахпромислового виробництва. Фруктоза на відміну від глюкози та сахарози на перетворення в організмі не вимагає інсуліну, що дуже важливо для людини, яка хворіє на діабет.
Особливого значення мають ферментні препарати у медицині на лікування багатьох захворювань. Так, при лікуванні шлункових захворювань використовують ферментні препарати пепсину, трипсину та інші, які отримують з тканин тварин. Широко використовують ферментні препарати в шкіряному та хутровому виробництві для зняття волосся зі шкір та розм'якшення шкіряної сировини. У текстильній промисловості за допомогою ферментів виробляють розшліхтування тканин, внаслідок чого значно підвищується продуктивність праці.
За допомогою ферментів у великих кількостях ведеться промислове вироблення амінокислот та білкових препаратів, насамперед для тваринництва.
Для отримання мікробіологічних ферментних препаратів виробляють посіви чистих культур мікроорганізмів на стерильні середовища певного складу з певними рН та температурою. Після вирощування мікроорганізмів культуральну рідину, що містить розчинні речовини, відокремлюють від клітинного матеріалу та нерозчинних складових частин середовища. Для цього застосовують центрифугування чи фільтрування. Концентрування неочищених ферментних розчинів проводиться випарюванням під вакуумом за низьких температур.
У лабораторній та промисловій практиці широко використовують рідкі ферментні препарати. Для виділення ферментів з культуральної рідини застосовують два способи - осадження та адсорбцію. Осадження ведеться при низькій температурі, щоб уникнути денатурації та інактивування ферментів. Осадження найчастіше здійснюється органічними розчинниками та неорганічними солями. Для високого очищення опади розчиняються таобробляються методами хроматографії, електрофорезу, діалізу, кристалізації та ін.