Характерной особенностью ферментов является их высокая каталитическая активность, в значительной степени превосходящая активность химических катализаторов. Ферменты обладают способностью ускорять реакции в 10⁸ – 10¹¹ раз. Механизм действия ферментов, как и химических катализаторов, связан с тем, что они снижают энергию активации, необходимую для осуществления определенной реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют значительно меньшей энергии активации. При этом ферменты сильнее понижают эту энергию. Например, для гидролиза сахарозы с образованием глюкозы и фруктозы без участия катализаторов необходима энергия активации 32 ккал/г-моль, при катализе неорганическим катализатором НСl – 26 ккал/г-моль, то при ферментативном катализе она снижается до 9,4 ккал/г-моль.

Второй особенностью ферментов является избирательность их действия. Например, инвертаза разлагает сахарозу, но не действует на другие дисахариды, в частности мальтозу, т.е. некоторые ферменты катализируют превращение практически только одного вещества. Многие ферменты действуют только на определенный вид связей. Например, пепсин гидролизует пентидные связи в молекуле белка, образованные ароматическими аминокислотами. Ряд ферментов катализируют определенные группы реакций. Так, ферменты, называемые липазами катализируют гидролиз любых сложных эфиров, включая и жиры.

Третьим свойством является их большая лабильность, т.е. чувствительность к внешним воздействиям среды (влиянию температуры, концентрации водородных ионов (рН), наличию активаторов и ингибиторов и др.).

Достоинством ферментов перед химическими катализаторами является то обстоятельство, что они действуют при нормальном давлении и при относительно низких температурах (20-70^оС).

По типу катализируемой реакции все ферменты делятся на шесть классов:

-         оксидорепродуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции;

-         трансферазы (ферменты переноса), катализирующие реакции переноса метильных или аминогрупп от субстрата (донора) к акцептору. Такими группировками могут быть остатки фосфорной кислоты, аминокислот, сахаров и др.;

-         гидролазы, осуществляющие реакции гидролиза, т.е. расщепления различных сложных соединений (субстатов) при участии воды на более простые;

-         лиазы, катализирующие негидролитическое расщепление субстратов и отщепление от них тех или иных групп;

-         изомеразы, катализирующие превращения органических соединений в их изомеры;

-         лигазы (ранее называвшиеся синтетазами), катализирующие соединения двух молекул субстрата путем образования связей С-О, С-S, C-N, C-C.

 Источники ферментов 

Биохимические процессы, протекающие при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием собственных ферментов сырья или с действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами и используемых в виде ферментных препаратов.

Ферменты находятся в сырье в свободном или связанном виде. При прорастании зерна активность ферментов повышается, т.к. они полностью или частично становятся свободными.

Каждый микроорганизм содержит комплекс разнообразных ферментов, многие из которых аналогичны ферментам растений и животных. Источником получения биомассы микроорганизмов, используемой для выделения данного фермента, применяются культуры плесневых грибов, бактерий, дрожжей и актиномицетов. Эти микроорганизмы дают значительно больше биомассы, из которой проще и экономичнее выделить данный фермент, чем из тканей высших растений и животных.

Ферментные препараты отличаются от ферментов тем, что помимо активного белка содержат балластные вещества. Подавляющее большинство препаратов являются комплексными, содержащими кроме основного еще значительное количество сопутствующих ферментов.

Применение ферментных препаратов в пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выход, улучшить условия труда, экономить ценное пищевое сырье. Если прежде основным источником активных ферментов являлся солод, получаемый из ячменя, ржи и других культур, то, применяя ферментные препараты, можно отказаться от зерна и использовать его на другие цели.

 Роль ферментов при производстве и хранении пищевых продуктов 

Роль ферментов в дыхании растительного сырья. Большую роль во взаимосвязи растительного сырья с окружающей средой играет дыхание, под которым понимают окислительно-восстановительные процессы, регулируемые ферментами. Эти процессы являются экзотермическими. Выделяющаяся энергия, накопленная в органических веществах растений при фотосинтезе, используется для поддержания жизненных процессов в растительной клетке. Дыхательный газообмен обеспечивает нормальное течение окислительных процессов, благодаря которым разрушаются токсины растительных клеток, а также токсины, выделяемые микроорганизмами, повышает естественный иммунитет сырья, предохраняя его от порчи. При дыхании происходит распад сахара и кислот. Расходуемые органические вещества, в первую очередь сахара, систематически пополняются за счет разложения сложных соединений на более простые, в частности за счет гидролиза крахмала или окисления до сахаров других соединений.

Различают аэробное дыхание, происходящее в присутствии кислорода воздуха, и анаэробное, не требующее кислорода. Суммарное уравнение аэробного дыхания:

С₆Н₁₂О₆ (гексоза) + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 2870 кДж;

С₄Н₆О₅ (яблочная кислота) + 3О₂ = 4СО₂ + 3Н₂О.

Последняя реакция происходит при аэробном дыхании в плодах.

Анаэробное дыхание происходит по схеме:

С₆Н₁₂О₆ (гексоза) = 2СО₂ + 6 С₂Н₅ОН + 234 кДж

Реакция анаэробного дыхания аналогично реакции брожения.

Приведенные реакции лишь обобщенно характеризуют процессы дыхания и не отражают всей сложности многочисленных ферментативных реакций, осуществляемых комплексом ферментов, главным образом оксидоредуктазами и лиазами.

Аэробное и анаэробное дыхание имеет общий первый этап, при котором глюкоза ферментативно превращается в пировиноградную кислоту (СН₃СОСООН). В дальнейшем разложение ее зависит от вида дыхания. В аэробных условиях она окисляется до уксусной кислоты или полностью до диоксида углерода и воды, а в анаэробных условиях она превращается в альдегид и диоксид углерода. Альдегид, в свою очередь, может образовывать как этиловый спирт, так и уксусную кислоту. Кроме этилового спирта при анаэробном дыхании выделяются высшие спирты, летучие соединения и др. Значительное накопление спирта и альдегида вызывает функциональные расстройства клеток, снижает иммунитет и ведет к отмиранию тканей.

Интенсивность дыхания зависит, прежде всего, от температуры и влажности сырья. Снижение этих параметров уменьшает интенсивность дыхания и увеличивает срок хранения сырья.

Роль оксидоредуктаз при производстве и хранении пищевых продуктов. Большое практическое значение из класса оксидоредуктаз имеет фермент полифенолоксидаза, который действует в присутствии кислорода воздуха на монофенолы, о-фенолы, полифенолы, дубильные вещества с образованием темноокрашенных соединений – меланинов. В состав этого фермента входит медь. Если ее связать, то фермент полностью теряет свою активность. Полифенолоксидазу используют при переработке чая. При переработке зеленые листья подсушиваются и скручиваются в трубочки. В процессе последней операции происходит механическое разрушение значительной части клеток. Что обеспечивает хороший контакт дубильных веществ чайного листа (субстрата) с ферментом. Затем скрученный лист выдерживают определенное время при соответствующей температуре и высокой относительной влажности, т.е. создают условия для ферментации, при которой происходят окисление дубильных веществ полифенолоксидазой и образование темноокрашенных соединений, придающих чаю цвет.

Процессы ферментации, связанные с окислением дубильных веществ ферментами, протекают при обработке какао-бобов, в результате которой содержание дубильных веществ снижается, что сопровождается смягчением их горького и вяжущего вкуса и изменением их цвета до коричневого.

Большое значение этот фермент при производстве ржаного хлеба, при производстве которого происходит ферментативный процесс образования меланинов за счет действия полифенолоксидазы муки на свободный тирозин. В ряде производств эта биохимическая реакция может играть отрицательную роль, например при использовании пшеничной муки, способной к потемнению при получении хлеба и макаронных изделий. Если использовать муку из дефектного зерна (проросшего или морозобойного), содержащего свободный тирозин, то она темнеет уже в процессе приготовления теста из-за действия фермента полифенолоксидаза на тирозин. Мука же нормального качества не содержит свободного терозина. Поэтому не темнеет.

Действием полифенолокисдазы объясняется потемнение на воздухе срезов картофеля, яблок, что ухудшает цвет продуктов их переработки.  Существуют различные способы предотвращения этого явления. Один заключается в сульфитации, рассмотренной ранее. Другие способы состоят в термической обработке сырья перед сушкой – бланширования, погружением продукта на несколько секунд в кипяток или обработка паром. Фермент при этом разрушается.

Аскорбинатоксидаза окисляет аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую. Действие этого фермента нежелательно, т.к. образующаяся кислота легко подвергается распаду, что снижает содержание витамина С в продукте. Для инактивации фермента применяют сульфитацию и бланширование продукта.

Липоксигеназа в присутствии кислорода воздуха окисляет ненасыщенные жирные кислоты, в основном линолевую и линоленовую, превращая в их пероксиды, которые являются сильными окислителями. Они действуют на насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, каротиноиды, витамины А и С и аминокислоты. В результате образуются альдегиды и кетоны, которые придают изделиям неприятный запах и вкус прогорклости.

В хлебомакаронной промышленности используют и положительное действие липоксигеназы.  Каротиноиды, содержащиеся в макаронной муке, придают ей желтый цвет. Они покрыты тонкой жировой пленкой, которая защищает их от окисления и обесцвечивания. При действии липоксигеназы жировая пленка разрушается, красящие вещества обесцвечиваются.

При слабом действии липоксигеназы в небольшом количестве образуются пероксиды, оказывающие укрепляющее действие на структурно-механические свойства клейковины. Для этого к пшеничной муке добавляют некоторое количество соевой муки, богатой липоксигеназой, и растительное масло в качестве источника жирных кислот. Смесь вносят в основную массу теста. В результате полученный хлеб отличается повышенным объемом, хорошей структурой пористости и светлым мякишем.

Велика роль этого фермента при хранении продуктов переработки зерна. На первых стадиях хранения липоксигеназа оказывает на качество пшеничной муки благоприятное действие. Свежемолотая мука для производства хлеба не используется. Такая мука дает мажущее, липкое, расплывающееся тесто, которое связывает при замесе пониженное количество воды. Хлеб получается плотным, с плохой пористостью, с коркой, покрытой трещинами. При отлежке мука созревает. За счет окисления каротиноидов она становится светлее. В результате начального действия липоксигеназы и образования пероксидых соединений происходит укрепление структурно-механических свойств клейковины и качество хлеба улучшается. В этом процессе важная роль также принадлежит ферменту липазе. Однако при длительном хранении мука прогоркает за счет образования большого количества альдегидов и кетонов. Это же происходит при прогоркании крупы.

Роль гидролаз при производстве и хранении пищевых продуктов. К числу важнейших гидролаз относится липаза, гидролизующая жиры с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Действие ее имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих большое количество жира, например, овсяной. При этом за счет действия липазы образуются жирные кислоты, которые затем быстрее окисляются липоксигеназой. Для предотвращения прогоркания муки и крупы необходимо инактивировать оба фермента. Для этого зерно перед помолом обрабатывают паром.

Наибольшее значение из амилолитических ферментов имеют α-, β-амилазы и глюкоамилаза. Α-амилаза расщепляет крахмал с образованием низкомолекулярных декстринов и незначительного количества мальтозы. При действии β-амилазы на крахмал в основном образуется мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. Полное расщепление крахмала до мальтозы возможно при одновременном действии α- и β-амилаз. Глюкоамилаза гидролизует крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов. Амилазы имеют большое значение при оценке газо- и сахарообразующей способности муки. Диоксид углерода, возникающий при брожении, поднимает и разрыхляет тесто, определяя в итоге пористость хлеба. В процессе брожения теста сахара, полученные из крахмала и муки за счет ферментативной деятельности амилаз, используются не полностью, часть их участвует на стадии выпечки в реакции меланоидинообразования, которая определяет в итоге цвет, вкус и аромат хлеба.

Реакция гидролиза крахмала ферментами является основной в ряде пищевых производств. При получении жидких дрожжей в состав питательной среды для размножения дрожжевых клеток должны входить сахара. Они образуются за счет добавления в заваренную муку светлого солода. При этом клейстеризованны крахмал быстро гидролизуется амилазами солода до мальтозы.

В спиртовой промышленности источником сахара, который сбраживается в дальнейшем дрожжами до спирта и диоксида углерода, обычно является крахмал зерна или картофеля.

В пивоваренной промышленности основным сырьем является богатый ферментами ячменный солод (проросшее зерно). После дробления его смешивают с водой (эта операция называется затиранием, а смесь – затором). При затирании в результате ферментативного гидролиза не только крахмала, но и гемицелюлоз, гумми-веществ, белков переходит в раствор. Особенность производства состоит в том, что осахаривание крахмала не доводят до конца, т.к. в пиве должны остаться декстрины, придающие пиву свойственные ему вкус, и вязкость и способствующие пенообразованию.

Глюкоамилаза, получаемая из плесневых грибков, используется при производстве кристаллической глюкозы и глюкозной патоки и позволяет обойтись без кислотного гидролиза крахмала.

Протеолитические ферменты (протеиназы и пептидазы) катализируют расщепление пептидной связи белков и полипептидов. Под действием этих ферментов белок превращается в пептоны, полипептиды, конечным продуктом реакции являются аминокислоты.

Пектолитические ферменты гидролизуют пектиновые вещества, к которым относятся протопектин, пектин, пектиновая и пектовая кислоты. Этот процесс имеет большое значение для переработки плодов, ягод и овощей с целью получения светлых соков.

Эти ферменты применяют также в качестве дополнительного компонента при кормлении сельскохозяйственных животных и птиц, особенно если в кормах присутствует свекловичный жом, что резко повышает их усвояемость.

 Микробиологические процессы

 В основе микробиологических процессов лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов. В настоящее время с помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, органические кислоты, липиды (жиры), гормоны, препараты для сельского хозяйства и т.д. В пищевой промышленности микроорганизмы используются получении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки – вино, пиво, коньяк, спирт – и другие продукты получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности – молочнокислые бактерии и т.д.

 Процессы брожения

Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одном из существенных является брожение. Под  брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под действием ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Обычно брожения называют по конечным продуктам, образующимся в процессе, например, спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и др.

Основные группы микроорганизмов, используемых в пищевой промышленности, - бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.

Бактерии используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.

Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по реакции:

С₆Н₁₂О₆  = 2С Н₃СНОНСООН + 75 кДж

В производстве ржаного хлеба важная роль также принадлежит молочнокислым бактериям. В процессе его получения участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочные бактерии. Гетероферментативные молочные бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода. Истинные бактерии в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, т.к. являются энергичным газообразователем. Эти бактерии также оказывают существенное влияние на вкус хлеба, т.к. он зависит от общего количества кислот и от их соотношения в хлебе.

В спиртовой промышленности молочнокислое брожение может применяться для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочные бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы брожения, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся при молочном брожении молочная кислота стимулирует развитие дрожжей и подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.

Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, а для спиртового производства эти бактерии опасны, т.к. масляная кислота подавляет брожение дрожжей и инактивирует α-амилазу.

К особым видам маслянокислых бактерий относятся ацетонобутиловые бактерии, превращающие крахмал и другие углеводы в ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Эти бактерии используют в качестве возбудителей брожения в ацетонобутиловом производстве.

Уксусные бактерии используют для получения уксуса, т.к. они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению:

 С₂Н₅ОН + О₂  = СН₃СООН + 487 кДж

Следует отметить, что уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, т.к. приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывает его порчу.

Дрожжи широко применяют в качестве возбудителей брожения при получении спирта и вина, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста.

Для пищевых производств имеют значение дрожжи – сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи – несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Род подразделяется на виды, а остальные отдельные разновидности вида, отличающиеся по некоторым признакам, называют расами. В каждой отрасли применяют отдельные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У первых на протяжении всего периода жизнедеятельности клетки изолированы друг от друга, а у вторых клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.

Температурный оптимум для размножения культурных дрожжей находится в пределах 25-30^оС, а минимальная температура 2-3^оС. При 40^оС рост прекращается, и дрожжи отмирают, но низкие температуры они переносят хорошо, хотя размножение их приостанавливается.

Различают дрожжи верхового (пылевидные) и низового (хлопьевидные) брожения. В каждой из этих групп имеется несколько рас.

Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем оседают, но не дают плотного осадка.

Из культурных к дрожжам низового брожения относятся большинство винных и пивных дрожжей, а верхового – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Первоначально были известны только дрожжи верхового брожения, т.к. брожение различных соков происходило при обычной температуре. Желая получить напитки, насыщенные углекислым газом, человек стал вести брожение при низкой температуре. Под влиянием изменившихся условий получились дрожжи низового брожения, нашедшие широкое распространение в промышленности.

Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара–до 60%. Они выносят также высокие концентрации спирта–до 14-16 об.%.

В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается, и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:

С₆Н₁₂О₆  + 6О₂  = 6СО₂ + Н₂О + 2824 кДж

Этот процесс идет с выделением значительно большего количества энергии, чем брожение, то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожение под влия