Практическая работа № 11 (ч.2)
Тема: Определение оптимальных условий протекания биохимических процессов при производстве хлебобулочных кондитерских изделий
Цель: выработать практические навыки определения условий протекания биохимических процессов при производстве хлебобулочных изделий
Ход работы:
Скорость ферментативной реакции
Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Скорость определяют по углу наклона касательной к кривой на начальной стадии реакции.
Чем круче наклон, тем больше скорость. Со временем скорость реакции обычно снижается, по большей части в результате снижения концентрации субстрата.
Факторы, влияющие на ферментативную активность
зависит от ряда факторов: температуры, реакции среды (pH), концентрации фермента, концентрации субстрата, от присутствия специфических активаторов и неспецифических или специфических ингибиторов.
Концентрация фермента
При высокой концентрации субстрата и при постоянстве других факторов скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента.
Катализ осуществляется всегда в условиях, когда концентрация фермента гораздо ниже концентрации субстрата. Поэтому с возрастанием концентрации фермента растет и скорость ферментативной реакции.
Температура
Влияние температуры на скорость ферментативной реакции может быть выражено через температурный коэффициент Q10: Q10 = (скорость реакции при (х + 10)°C) / (скорость реакции при х °C)В пределах 0-40°C Q10 ферментативной реакции равен 2. Иными словами, при каждом повышении температуры на 10°C скорость ферментативной реакции удваивается.
Рис. 4 Влияние температуры на активность такого фермента, как амилаза слюны.
С повышением температуры движение молекул ускоряется, и у молекул реагирующих веществ больше шансов столкнуться друг с другом. Увеличивается, следовательно, и вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую активность, называется оптимальной. За пределами этого уровня скорость ферментативной реакции снижается, несмотря на увеличение частоты столкновений. Происходит это вследствие разрушения вторичной и третичной структур фермента, иными словами, вследствие того, что фермент претерпевает денатурацию.
Рис. 5 Ход ферментативной реакции при разных температурах.
Когда температура приближается к точке замерзания или оказывается ниже ее, ферменты инактивируются, но денатурации при этом не происходит. С повышением температуры их каталитическая активность вновь восстанавливается. Поскольку белки в сухом состоянии денатурируются значительно медленнее, чем белки оводненные (в виде белкового геля или раствора), инактивирование Ф. в сухом состоянии происходит гораздо медленнее, чем в присутствии влаги. Поэтому сухие споры бактерий или сухие семена могут выдержать нагревание до гораздо более высоких температур, чем те же споры или семена в увлажненном состоянии.
Концентрация субстрата
При данной концентрации фермента скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата.
Рис. 6 Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Теоретическая максимальная скорость реакции Vmax никогда не достигается, но наступает момент, когда дальнейшее увеличение концентрации субстрата уже не влечет за собой сколько-нибудь заметного изменения скорости реакции. Это следует объяснить тем, что при высоких концентрациях субстрата активные центры молекул Ф. в любой данный момент оказываются практически насыщенными. Таким образом, сколько бы ни было в наличии избыточного субстрата, он может соединиться с Ф. лишь после того, как образовавшийся ранее фермент-субстратный комплекс диссоциирует на продукт и свободный Ф. Поэтому при высоких концентрациях субстрата скорость ферментативной реакции лимитируется и концентрацией субстрата, и временем, которое требуется для диссоциации фермент-субстратного комплекса.
рН
При постоянной температуре любой Ф. работает наиболее эффективно в узких пределах pH. Оптимальным считается то значение pH, при котором реакция протекает с максимальной скоростью.
Рис. 7 Зависимость активности фермента от pH.
При более высоких и более низких pH активность Ф. снижается. Сдвиг pH меняет заряд ионизированных кислотных и основных групп, от которого зависит специфичная форма молекул Ф. В результате изменяется форма молекул Ф., и в первую очередь форма его активного центра. При слишком резких сдвигах pH Ф. денатурирует. Свойственный данному Ф. оптимум pH не всегда совпадает с pH его непосредственного внутриклеточного окружения. Это позволяет предположить, что среда, в которой находится Ф., в какой-то мере регулирует его активность.
Ферментативные процессы играют также важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерновых и бобовых культур, плодов, ягод, овощей, жира, жиросодержащих продуктов и др.).
Таблица 2. Оптимум pH для некоторых ферментов | |
Фермент | Оптимум pH |
Пепсин | 2.00 |
Сахараза | 4.50 |
Энтерокиназа | 5.50 |
Амилаза слюны | 6.80 |
Каталаза | 7.60 |
Химотрипсин | 7.00-8.00 |
Липаза поджелудочной железы | 9.00 |
Аргиназа | 9.70 |
Кинетика биохимических процессов зависит от ряда факторов: концентрации фермента и субстрата, биохимической природы реагирующих веществ, температуры и реакции среды pH, присутствия активаторов и ингибиторов.
Скорость биохимических процессов при переработке пищевого сырья зависит, в основном, от природы субстрата и его атакоспособности, т. е. податливости к действию ферментов, которая зависит от состава и структуры субстрата. Например, атакоснособность амилолитических ферментов крахмала, полученного из разных зерновых культур, неодинаковая. Она увеличивается с уменьшением размеров крахмальных зерен, т. е. при механическом действии на структуру зерен крахмала.
Но действие амилаз на крахмал незначительно по сравнению с их действием на клейстеризованный крахмал. Поэтому в тех областях пищевой промышленности, где крахмал является источником образования сахаров за счет расщепления его амилолитическими ферментами, зерно или муку клейстеризуют путем разваривания.
Такая технологическая обработка применяется в хлебопекарной, паточной и спиртовой промышленностях.
Атакуемость белка протеолитическими ферментами зависит от строения белковой молекулы. Чем крепче структура белка, тем меньше эффективность атакуемости ферментов. Наиболее интенсивное влияние на активность ферментов и скорость биохимических процессов в пищевом сырье имеют температура и реакция среды.
С повышением температуры активность ферментов возрастает и достигает максимума при оптимальной температуре для каждого отдельно взятого фермента.
Температурный оптимум для ферментов растительного происхождения составляет около 40...50° С. Снижение активности фермента при повышении температуры связано с процессами денатурации белка, так как фермент — это органический естественный катализатор белкового происхождения. Полное прекращение действия фермента происходит при температурах, близких к 100° С, что не имеет отношения к термофильным ферментам, которые выдерживают короткое нагревание, равное температуре выше 100° С. Кроме того, каждый фермент проявляет свою активность в соответствующих границах значения pH. Зона наибольшей активности фермента называется оптимальной зоной pH. Разные ферменты значительно отличаются оптимальным для их действия значением pH. Одни имеют высокую активность в кислой среде, вторые - в нейтральной, третьи — в щелочной. Например, пепсин в желудочном соке имеет оптимум действия при pH = 2,0, а амилаза — при pH = 4,7...5,2.
Следует отметить, что оптимальное значение pH для активного действия фермента зависит также от химического состава субстрата. В биотехнологических процессах пищевых технологий важную роль играют и ингибиторы ферментов, которые снижают их активность.
Действие ингибиторов характеризуется блокированием сульфгидрильных связей фермента и превращением их в дисулъфидные группы. Ингибирование фермента может проходить также под действием белковых нерастворимых осадков. Это соединения солей тяжелых металлов (ртути, свинца, вольфрама), разных кислот и др. Окись углевода СО ингибирует ряд окислительно-восстановительных ферментов, в состав которых входит железо или медь. Ферменты обеспечивают последовательность многих сложных биохимических превращений в клетках животных, пищевого растительного сырья, полуфабрикатов и микроорганизмов. Все ферменты по своей структуре делятся на две группы: ферменты, в состав которых входят только белки, — однокомпонентные, ферменты, в состав которых входят белковое и органическое вещества небелковой природы. Последние ферменты являются двукомпонентными и служат основной массой всех ферментов. Важными биологически активными веществами многих ферментов есть витамины и их производные. В состав многих ферментов входят металлы как кофакторы, которые предоставляют им активность.
Например, кофактором a-амилазы выступает кальций. Ряд ферментов усиливает свою активность в присутствии магния, цинка, марганца, меди и молибдена. Все ферменты как естественные катализаторы ускоряют реакции в биотехнологических процессах пищевых технологий в 108...109 раз. Это намного больше, чем активность химических катализаторов. Важной особенностью ферментов является то, что они катализируют преобразование лишь одного вещества. К преимуществу ферментов над химическими катализаторами следует отнести то обстоятельство, что они действуют при относительно низких температурах (от 20 до 70° С) и нормальном давлении.
Таким образом, все биохимические процессы, которые протекают при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием как своих ферментов пищевого сырья, гак и с действием ферментов, которые производятся микроорганизмами и используются в виде ферментных препаратов. В сырье ферменты находятся в свободном иди связанном виде. Например, при проращивании зерновых культур активность ферментов повышается, что связано с процессами их освобождения. Применение ферментных препаратов в пищевой промышленности разрешает интенсифицировать биотехнологические процессы, улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выход и сэкономить энергоресурсы.
