Ферменты в производстве пищи и кормов
Выращивание RSS
◄ ▲ ►
11 марта 2004, 00:00
Журнал “Агроогляд”
Ферменты находятся, практически, повсюду. Они присутствуют
повсеместно в природе, и все живые организмы вырабатывают ферменты.
Ферменты ускоряют протекание химических реакций, происходящих во всех
живых организмах: в одноклеточных организмах, растениях, насекомых
и в человеке. Без этих химических реакций жизнь была бы невозможна,
а без ферментов данные реакции происходили бы слишком медленно. Например,
пища не может перевариваться в нашем пищеварительном канале без ферментов.
Ферменты — это белки, которые образованы из длинных
аминокислотных цепочек и сложных молекулярных соединений. На сегодняшний
день обнаружено более 3000 различных видов ферментов. Вследствие
своего органического состава ферменты являются очень чуткими к условиям
функционирования. Наилучшими условиями их функционирования являются умеренная
температура и близкое к нейтральному значение величины рН.
В течение всей своей истории существования человек пользовался
ферментами, зачастую не подразумевая об этом. Производство сыра и пива
являются примерами применения ферментов. Современная ферментная технология
получила свое начало только в 1874 году, когда был произведен
первый обогащенный в технологическом процессе фермент, полученный
из внутренностей желудка теленка. Данный фермент, названный Реннет, и по
сей день используется при производстве сыра.
С тех пор обнаружение, отделение и производство ферментов
развивалось быстро, и ферменты стали вырабатываться из более приемлемых
источников. Сбыт ферментов вырос очень значительно. и в настоящее
время ферменты применяются во многих промышленных процессах. В промышленности
ферменты используются в т.ч. в производстве моющих средств и бумаги,
а также в технологических процессах по производству кожи и текстилей.
Кроме того, ферменты используются в широком объеме при производстве
продукции пищевой промышленности и напитков, хлебобулочной продукции
и сыров, натуральных соков, вина и кофе. В настоящее время
стало возможным их применение в кормах животных.
Самой веской причиной для применения ферментов является
следующая: ферменты улучшают питательность кормов. Все животные используют
при переваривании пищи ферменты. Их вырабатывает либо само животное, либо
микробы, находящиеся в пищеварительном канале. Несмотря на это, эффективность
пищеварительного процесса животных не достигает уровня 100 %. и,
например, свиньи не способны переварить более 15-25 % потребленного
корма. По этой причине в корм для животных добавляют ферменты, за
счет чего повышается эффективность функционирования пищеварительной системы
животных и расширяется собственный процесс пищеварения животных.
На многих животноводческих фермах корм является основной
статьей расходов. Производительность зависит от затрат на корм и питательности
имеющегося в наличии сырья. Как правило, ограничивающим фактором
при составлении рецептов кормов является способность животного по перевариванию
различных компонентов сырья, к примеру, клетчатки. Несмотря на улучшение
питательности кормов, результат зачастую не доходит до фермы. Если корма
не используются с должной эффективностью, то при этом возникают расходы
как у фермера, так и у окружающей среды.
Четыре важных причины для применения кормовых ферментов:
- Расщепляют препятствующие утилизации корма вещества, которые содержатся
во многих сырьевых компонентах корма. Данные вещества могут наносить
вред нормальному пищеварению, вызывая неперевариваемость корма. - Улучшают степень утилизации крахмала и белков. Данные вещества
находятся внутри клетчаткосодержащих клеточных оболочек и поэтому
труднодоступны для собственных ферментов пищеварения животного. - Расщепляют такие молекулярные структуры сырья, которые, как правило,
не расщепляются под влиянием собственных ферментов животного, высвобождая
при этом большее количество питательных веществ. - Дополняет производство ферментов у молодых животных, так как
их пищеварительная система может быть развита в недостаточной степени
и ферментное производство может быть недостаточным.
За счет данного улучшения переваримости и питательности
корма можно улучшить производство, основывающееся на одном и том
же корме, и поддерживать производство на одном и том же уровне
за счет составления более экономичной кормосмеси. Оба этих метода по использованию
ферментов дают более хороший экономический результат.
Есть много веских причин для применений кормовых ферментов.
Наряду с улучшением степени утилизации корма при помощи добавления
ферментов можно сбалансировать изменения питательности сырьевых компонентов.
Эксперименты продемонстрировали, что за счет обеспечения ферментами стабильного
качества корма было снижено колебание производственного результата группы
животных. Зачастую данный фактор позволяет улучшить уход за животными
и повысить производительность производства.
Наряду с выше перечисленными преимуществами ферменты
позволяют снизить нагрузку на окружающую среду. Когда животное лучше утилизирует
корм, оно оставляет меньше отходов. Результатом этого является снижение
количества навоза почти на 20% и снижение выделения азота на 15%
у свиней и на 20% у домашней птицы. Кроме того, ферменты
позволяют снизить выбросы фосфора, что становится все более и более
важным фактором в различных странах Европы.
Ферменты являются биологическими катализаторами. Это означает,
что они позволяют ускорять химические реакции, в которых изменяется
химическая форма веществ. За счет ферментов данные реакции протекают даже
в миллион раз быстрее. Ферменты не подвергаются износу во время реакции.
Они высвобождаются по завершению реакции и сразу же готовы начать
следующую реакцию. Теоретически это может продолжаться бесконечно, по
крайней мере, до тех пор, пока они не израсходуют весь субстрат (вещество,
в реакции которого ферменты принимают участие). На практике вследствие
их восприимчивости и органического состава, продолжительность существования
ферментов ограничена. Кроме того, будучи белками, они подвергаются естественному
распаду во время нормального пищеварения.
Как известно, ферменты – это белковые катализаторы, контролирующие
в живом организме все химические реакции, в том числе и процессы
пищеварения. В желудочно-кишечном тракте животных и птиц имеются
специализированные гидролитические ферменты, расщепляющие разные питательные
вещества — крахмал, сахара, жиры и белки — но отсутствуют ферменты,
способные переваривать клетчатку. Между тем, клетчатка образует стенки
растительных клеток, которые далеко не полностью разрушаются при помоле
зерна. Заключенные в цельных клеточных оболочках белки и углеводы
недоступны для ферментов животных. Если же к комбикорму добавить
ферменты, гидролизирующие клетчатку, то они начинают работать в кишечнике
вместе с ферментами животного, открывая доступ к ценным питательным
веществам, которые в противном случае были бы потеряны для организма.
Помимо этого, зерно злаков — пшеницы, ячменя, овса, ржи — содержит большое
количество растворимой клетчатки, являющейся антипитательным фактором.
Растворимая клетчатка образует в кишечнике гель с высокой вязкостью,
в результате чего подавляется активность собственных ферментов организма,
затрудняются процессы всасывания, увеличивается опасность развития болезнетворных
микробов. Все эти негативные явления также полностью устраняются путем
добавления кормовых ферментов, которые разрушают растворимую клетчатку,
снижая, таким образом, вязкость содержимого кишечника. Следует также учесть,
что на ранних стадиях развития и при стрессе нормальная секреция
пищеварительных ферментов угнетается. Их дефицит может быть компенсирован
с помощью кормовых ферментов. Таким образом, основное биологическое
действие кормовых ферментов состоит в следующем:
- улучшается усвоение белков и углеводов корма за счет разрушения
клеточных оболочек; - повышается активность собственных пищеварительных ферментов и процессов
всасывания, улучшается микробиологическая среда кишечника за счет снижения
вязкости; - компенсируется дефицит пищеварительных ферментов на ранних стадиях
развития и при стрессе.
В свою очередь, эти биологические эффекты приводят к улучшению
хозяйственно-полезных признаков и экономических показателей производства:
- Более полно извлекаются питательные вещества и энергия корма.
Фактическая питательность рациона возрастает на 5-10%. - Снижаются затраты корма на продукцию на 5-15%.
- Продуктивность возрастает при неизменных рационах.
- Возникает возможность замены дорогих компонентов корма (кукуруза)
на более дешевые (пшеница, ячмень, рожь) без снижения продуктивности - Снижается уровень инфекционных заболеваний и потребность в антибиотиках
- Уменьшаются объем помета и влажность подстилки.
Самой ценной особенностью ферментов есть то, что они являются
особо специализированными и расщепляют или действуют только на один
определенный субстрат в отличие от многих промышленных неорганических
катализаторов. Иногда их действие связано только с расщеплением определенных
химических связей. Например, различные амилазы способствуют расщеплению
крахмала, протеазы воздействуют на протеины, и липазы влияют на жиры.
Каждая группа включает различные ферменты. К примеру, каждый тип
протеазы специализируется на определенной стадии переваривания белков.
Многочисленные первоначальные попытки по использованию ферментов
пищевой промышленности в продукции, предназначенной для применения
в кормах животных; не привели к желаемым результатам. В то
время знаний о физиологии животных и о составе кормов было недостаточно.
Применение ферментов носило случайный характер, и ферментные препараты
использовались с переменным успехом. Особенности ферментов выдвигают
ряд требований для их применения в корме. Они должны эффективно действовать
внутри животного и, кроме того, ферменты должны:
- сохранять свою активность во время складирования;
- быть совместимыми с минеральными веществами и витаминами,
а также с другими сырьевыми компонентами; - быть безопасными и легко применяемыми;
- быть по своей форме легко смешиваемыми с кормом.
Специалистами фирм-производителей ферментов проводится систематическое
совершенствование продукции, в котором решающую роль играют подробные
анализы кормов и большой опыт в области физиологии животных
и ферментной биохимии. Ферменты, успешно проявившие себя в лабораторных
испытаниях, испытываются в небольших экспериментах на животных, и в
случае положительного результата окончательный результат получают в результате
масштабных экспериментов по кормлению.
Да, так как ферменты — это вещества, присутствующие
в окружающей среде и биологически распадающиеся. Кормовые ферменты
перевариваются в пищеварительном канале животных, как и другие
белки. Таким образом, они не оставляют никаких следов в продукции
животноводства.
Для производства ферментов с различным назначением
используются различные микробы. Почти все сбываемые ферменты берут свое
начало в природе, в повсеместно встречаемых микроорганизмах.
Ферменты производятся в строго контролируемых и стерильных
условиях под постоянным контролем для обеспечения их безопасности и стабильного
качества конечной продукции. Отборные микробы выращиваются в большом
сосуде из нержавеющей стали с применением в качестве питательной
среды натуральных веществ таких, как крахмал и меласса.
В процессе брожения получают специальные микробы, которые
осторожно сепарируются в ходе современного процесса отсеивания для
обеспечения того, чтобы микробные источники не превратились в конечный
продукт. При производстве сухих препаратов ферменты связывают на носителе
перед высушиванием и гранулированием.
Сырьевые компоненты, используемые во всех производственных
процессах, имеют высокое качество и не содержат иных микробов и возбудителей
заболеваний. Все ферменты, которые используются в ферментном производстве,
должны быть включены в категорию пищевого качества.
Будущее ферментов очень интересно. Граница познаний в области
кормовых ферментов постоянно передвигается вперед. Чем больше получают
новой информации касательно физиологии и питания животных, кормовой
химии и энзимологии, тем больше разрабатывается новых возможностей
применения кормовых ферментов.
Первые кормовые ферменты для животных были предназначены
для добавления в корм свиней и домашней птицы. Новые кормовые
ферменты разрабатываются для других групп животных, а также для различных
по своему составу сырьевых компонентов кормов.
Технология обнаружения и производства новых ферментов
развивается с большой скоростью. Прежде применение и производство
ферментов развивалось большей частью за счет попыток и ошибок. Так
как детали, влияющие на химию и действие ферментов, были известны
плохо, то в препаратах использовались смеси наиболее универсальных
ферментов.
Благодаря новым исследованиям при производстве сбываемой
продукции возможно использование более специфичных ферментов. Данные препараты,
выработанные с одним назначением, эффективны и экономичны. Кроме
того, они повышают питательность корма.
Обсудить в
форуме
Источник
Динамическое развитие биотехнологий и научные открытия в области энзимологии сделали ферментные препараты незаменимым элементом многих пищевых технологий. Использование ферментов позволяет повышать скорость технологических процессов, ощутимо увеличивать выход готовой продукции, улучшать ее качество, экономить ценное сырье и снижать количество отходов.
Для получения ферментных препаратов пищевого назначения используются органы и ткани сельскохозяйственных животных, культурные растения, специальные штаммы микроорганизмов (плесневых грибов, бактерий).
Ферментные препараты микробного происхождения получают при культивировании специфических микроорганизмов, способных вырабатывать определенные ферменты. В настоящее время большинство ферментов в промышленности получают, используя бактерии и плесневые грибы в специальных аппаратах биореакторах (ферментерах) в жестко контролируемых условиях. Различают ферментные препараты бактериальные, полученные путем глубинного культивирования бактерий, и грибные, полученные путем поверхностного культивирования микроскопических грибов.
В технологии пищевых продуктов применяются ферментные препараты с амилолитической, протеолитической, липолитической, пектолитической, оксидазной активностью. Они используются в пивоварении, виноделии, хлебопечении, при производстве спирта, фруктовых и овощных соков, дрожжей, сыра, творога, мясо- и рыбопродуктов, белковых гидролизатов, инвертного сиропа, при переработке крахмала.
Современные технологии позволяют расширить сферу применения ферментных препаратов. На сегодняшний день можно насчитать около 15 отраслей пищевой промышленности, где с успехом используют ферменты, причем в каждой отрасли отдельная группа ферментов обеспечивает достижение конкретных целей, позволяющих либо улучшить качество продукта, либо увеличить выход данной продукции или удешевить процесс, а значит, снизить себестоимость продукции.
Производство муки и хлебопечение
Качество хлеба определяется особенностями химического состава муки и активностью ее ферментного комплекса. Получить хлеб хорошего качества можно только в том случае, когда в процессе тестоведения гармонически сочетаются скорости микробиологических процессов и биохимических превращений. Ферментативный гидоолиз высокомолекулярных компонентов сырья (белков и углеводов) в определенной степени способствует интенсификации этих превращений и, в конечном счете, положительно сказывается на качестве хлеба.
Эффективность использования тех или иных ферментных препаратов в хлебопечении в значительной степени зависит от качества муки. Хлебопекарные свойства муки, в особенности качество клейковины и активность собственных ферментов, определяют требования к ферментным препаратам.
Ферменты для хлебопечения используют в виде добавок к муке и в составе разрыхлителей теста для компенсации низких качественных показателей муки, улучшения структуры теста и качественных характеристик готового изделия. В хлебопечении применяют в основном пять ферментных препаратов.
Улучшение клейковинного каркаса: Протеаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза.
Увеличение газоудерживающей способности теста и объёма хлеба: Альфа-амилаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза.
Улучшение цвета, вкуса и аромата: Альфа-амилаза, Липаза.
Улучшение структуры мякиша: Альфа-амилаза, Ксиланаза, Глюкозооксидаза, Липаза.
Увеличение срока хранения: Альфа-амилаза.
Кондитерское производство
Кондитерские изделия в зависимости от вида сырья и типа технологического процесса подразделяют на две группы: мучные и сахаристые. К мучным изделиям относятся печенье, галеты, крекеры, вафли, пряники, кексы, пирожные, рулеты, торты и т.п.. К сахаристым – какао-порошок, шоколад, конфеты, карамель, мармелад, пастила, ирис, драже, халва и т.п..
При производстве мучных кондитерских изделий с использованием дрожжей, таких как галеты, крекеры, кексы, целесообразно применение комплексных препаратов с преобладанием протеолитического действия, но содержащих в своем составе и альфа-амилазу. Совокупное действие этих ферментов обеспечивают дрожжи сбраживаемыми сахарами и низкомолекулярными азотистыми веществами.
При производстве затяжного печенья с использованием химических разрыхлителей, когда много усилий направляется на расслабление клейковины, на протяжении длительного технологического процесса наряду с механическим воздействием на белки клейковины целесообразно использование протеолитических ферментных препаратов.
Для заварных и сырцовых пряников наибольшее значение имеет протеолиз, но наряду с потребностью в регулируемом расслаблении теста важным является и сохранение свежести (мягкости) продукта. При производстве таких видов изделий целесообразно применение комплексных ферментных препаратов с преобладанием протеолитической активности.
При производстве бисквитного полуфабриката нужны комплексные ферментные препараты с умеренной активностью протеолитических ферментов и невысокой альфа-амилазной (дексгринирующей) способностью. При таком сочетании обеспечивается умеренное расслабление клейковины, способствующее лучшему подъему теста при выпечке и образованию тонкопористой воздушной структуры готовых изделий. Образование декстринов, в свою очередь, способствует сохранению их свежести.
Комплексные ферментные препараты, содержащие протеазы и альфа-амилазу, используются для ускорения и облегчения обработки теста при приготовлении слоеного полуфабриката с целью улучшения его эластичных свойств и предупреждения усадки при выпечке. Применение таких ферментных препаратов при производстве вафель позволяет оптимально снизить вязкость вафельного теста, способствует получению тонких хрустящих вафельных листов.
Для производства отливных помадных корпусов конфет, круглых помадных корпусов и жидких фруктовых начинок, таких как вишневый ликер, в кондитерской промышленности применяется фермент Инвертаза. Применение Инвертазы обусловлено необходимостью получить полумягкую или жидкую консистенцию при высоких концентрациях сахара, предотвращающих брожение. Ускорение или замедление действия инвертазы достигается путем изменения концентрации вносимого препарата, количества воды и температурного режима.
Переработка фруктов, ягод, овощей
Наряду с современным оборудованием и новыми технологическими процессами, при переработке фруктов, ягод и овощей, ферменты позволяют повысить глубину переработки сырья и тем самым уменьшить количество отходов, повышают производительность и рентабельность предприятий. При этом в одних случаях необходимо иметь набор ферментных препаратов, содержащих определенный комплекс ферментов, в других – требуются препараты индивидуальных ферментов.
В соответствии со спецификой плодово-ягодного сырья и целями применения ферментные препараты можно разделить на шесть групп:
1. Ферменты, предназначенные для получения неосветленных соков, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность – Пектиназа.
2. Ферменты, предназначенные для получения осветленных соков, увеличивающие выход, повышающие экстрактивность и обеспечивающие полный гидролиз пектиновых и белковых веществ – Пектиназа, Пектинлиаза, Протеаза кислая.
3. Ферменты, мацерирующие плодово-ягодную ткань, повышающие выход и гомогенность соков с мякотью – Пектинлиаза.
4. Ферменты, предназначенные для получения осветленных плодово-ягодных виноматериалов, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность виноматериалов – Пектиназа, Глюкоамилаза.
5. Ферменты, способствующие предотвращению окислительных процессов и развитию аэробных микроорганизмов в соках, винах, безалкогольных напитках – Глюкозооксидаза.
6. Ферменты, катализирующие инверсию сахарных сиропов при производстве безалкогольных напитков и товарных сиропов – Инвертаза.
Производство спиртных напитков
Крахмал, как основной компонент сухих веществ зернового сырья, из которого и образуется спирт, непосредственно дрожжами не сбраживается. Поэтому его необходимо гидролизовать до сбраживаемых сахаров, для этого требуется применение ферментов, которые осуществляют гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, являются источником азотистого питания для дрожжей и при осахаривании крахмалистого сырья производят частичное разрушение клеточных стенок сырья.
Применяемый издавна зерновой солод, как источник амилолитических ферментов, обеспечивает достаточно глубокое осахаривание и выбраживание, однако скорость осахаривания крахмала при использовании солода остается достаточно низкой, что затрудняет интенсификацию процесса брожения. Применение ферментных препаратов микробного происхождения (Альфа-амилаза, Глюкоамилаза) дает возможность значительно повысить концентрацию необходимых ферментов в среде и обеспечить глубокий гидролиз крахмала за сравнительно короткий период.
Кроме стадии осахаривания ферментные препараты, обладающие сильной разжижающей активностью (Альфа-амилаза), применяются на стадии водно-тепловой обработки сырья с целью смягчить режим разваривания, снизить вязкость замесов и облегчить их дальнейшую транспортировку. Применяя ферментные препараты на стадии приготовления сусла для дрожжегенерации, необходимо обеспечить интенсивный гидролиз белков с целью обогащения ценным азотистым питанием дрожжевого сусла.
Таким образом, для спиртового производства, перерабатывающего крахмалсодержащее сырье, необходимо применение ферментных пре паратов с амилолитическим, протеолитическим и цитолитическим действием.
Пивоварение
При производстве пива по обычной технологической схеме, необходимые ферменты (для подготовки зернового сырья и перевода экстрактивных веществ в растворимое состояние на стадии затирания) образуются в процессе солодоращения.
Основными ферментами, образующимися в процессе солодоращения и имеющими наиболее существенное значение в технологии пивоварения, являются:
1. Амилолитические ферменты, разжижающие и осахаривающие крахмал (Альфа-амилаза бактериальная, Амилоризин, Глюкоамилаза).
2. Протеолитические ферменты, расщепляющие белки ячменя до пептидов различной молекулярной массы и свободных аминокислот (Протеаза).
3. Цитолитические ферменты, гидролизующие некрахмальные полисахариды, растворяющие клеточные стенки эндосперма зерна, благодаря чему облегчается доступ амилаз и протеаз к соответствующим субстратам (Целлюлаза).
Каждый из перечисленных процессов должен пройти с определенной глубиной, чтобы обеспечить нормальное протекание фильтрации затора, брожения сусла, осветление и фильтрацию пива, а также создание определенных физико-химических свойств (ценообразование, прозрачность, стойкость при хранении) и вкусовых качеств готового продукта.
Применение ферментных препаратов микробного происхождения (амилоризин, амилосубтилин, проторизин) с целью замены солода несоложенным ячменем позволяет интенсифицировать процесс, избежать потерь ценных компонентов сырья на дыхание и образование проростка, в целом повысить рентабельность пивоваренного производства.
Переработка мяса и рыбы
В последнее время ферментные препараты все шире используются в переработке мяса и рыбы. Это связано с их способностью продуцировать в тканях мяса и рыбы специфические биологически активные компоненты: органические кислоты, бактериоцины, ферменты, витамины, что способствует улучшению санитарно- микробиологических, органолептических показателей готового продукта, а также позволяет интенсифицировать производственный процесс.
Ферментативные методы позволяют повысить качество мяса, удовлетворить растущие требования потребителей и увеличить степень переработки сырья. Известны два основных направления использования ферментов в мясной промышленности: тендеризация жесткого мяса и реструктурирование свежего низкокачественного мясного сырья и обрези (тримминга) с получением продукта высокого качества.
В мясной индустрии и кулинарии используют в основном ферменты, разлагающие белки (Протеаза, Коллагеназа), а так же ферменты “сшивающие” белки (Трансглутаминаза) в качестве улучшителей текстуры. В последнее время становятся популярными новые направления использования традиционных ферментов в молекулярной кухне. Примерами могут служить окисляющие ферменты для получения продукции с заданной структурой и получение требуемого вкуса и аромата с помощью липаз, глутаминаз, протеаз и пептидаз.
Источник