Enzimska hidroliza skroba. Transformacije ugljikohidrata u proizvodnji hrane

25.09.2019

Enzimi životinja(pepsin, tripsin i dr.) se uglavnom dobijaju iz organa u kojima se odvijaju intenzivni biohemijski procesi (iz sluzokože želuca, jetre, bubrega, slezine itd.).

Izvor biljnih enzima može biti proklijalo zrno (slad) raznih žitarica. U tropskim i suptropskim zemljama, za industrijsku proizvodnju enzima, kao sirovine koriste se lateks drveta dinje (enzim papain), ananas (bromelain), smokve (ficin) i hren (peroksidaza).

Enzimi različitog porekla se koriste ili direktno kao tehnički enzimski preparati ili služe kao polazni materijal za proizvodnju prečišćenih preparata.

Zbog sve većih potreba industrije za enzimskim preparatima, biljni i životinjski izvori njihove proizvodnje ne odgovaraju proizvođačima iz više razloga.

Životinjski organi se mogu nabaviti samo u pogonima za preradu mesa, što predstavlja problem njihovog konzerviranja i skladištenja. Za uzgoj samih životinja potrebno je mnogo vremena i novca.

Mnogi od gore navedenih nedostataka mogu se eliminirati korištenjem enzimi mikroorganizama(bakterije, kalupi, kvasac). Prednosti ovog izvora: mikroorganizmi brzo rastu na jeftinim hranjivim podlogama; sadržaj enzima po jedinici proteina biomase je značajno veći; genetskim promjenama možete povećati prinos željenog enzima; izolovati enzime sa poboljšanim svojstvima __ otporni na temperaturu, kiseline, alkalije. Mikrobni enzimi slični su enzimima u biljkama i životinjama, ali postoje vrste koje se ne nalaze ni u biljkama ni u životinjama.

U proizvodnji fermentacije koriste se enzimi biljnog (u obliku slada) i mikrobnog porijekla.

Kontrolna pitanja

1 Definišite enzim.

2 Navedite glavne karakteristike enzima kao katalizatora.

3 Navedite klasifikaciju enzima.

4 Objasnite šta je supstrat, aktivator, inhibitor, aktivno mesto, feron, protetska grupa.

5 Opišite utjecaj temperature, pH, koncentracije enzima i supstrata, prisutnost aktivatora i inhibitora na brzinu enzimske reakcije.

6 Navedite izvore enzima. Dajte im opis.

2.7 HIDROLITIČKI ENZIMI

1 Hidroliza skroba.

2 Hidroliza proteina.

3 Hidroliza neškrobnih polisaharida.

4 Enzimski preparati: karakteristike i nomenklatura.

5 Imobilizirani enzimi

1 Hidroliza skroba

Većina industrijski važnih enzima spada u klasu hidrolaza, potreba za kojima se kreće desetinama hiljada tona. U tehnologiji proizvodnje fermentacije, hidrolaze igraju veliku ulogu, jer su odgovorne za pripremu sirovina za fermentaciju.

Hidrolaze uključuju amilolitičke, proteolitičke, citolitičke, lipolitičke, pektolitičke i druge enzime.

Hidrolizu škroba provode amilolitički enzimi.

Škrob- polisaharid koji se pak sastoji od dva polisaharida, koji se razlikuju po stepenu polimerizacije i vrsti strukture - amiloze (približni sadržaj 20-30%) i amilopektina (%). Strukturna jedinica škroba, a time i amiloze i amilopektina, je glukoza, čiji su ostaci međusobno povezani α-1,4 i α-1,6-glukozidnim vezama.

Amiloza ima linearnu strukturu, vezu između ostataka glukoze α-1,4 (između 1. i 4. atoma ugljika). Rastvorljivo u vrućoj vodi bez bubrenja. Formira rastvore niskog viskoziteta. Molekularna težina od 60 do 600. Sa jodom daje plavu boju.

o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-

Slika 16 – Struktura amiloze

amilopektin je razgranati lanac koji se sastoji od velikog broja ostataka glukoze (oko 2500). Glavni lanac se sastoji od 25-30 ostataka, a bočni lanci se sastoje od 15-18. U amilopektinu, ostaci glukoze u linearnim područjima povezani su α-1,4 vezom, a na mjestima grananja postoji veza α-1,6. Ne rastvara se u vodi. Kada se zagreje, formira pastu. Sa jodom daje ljubičastu boju.

Hidrolizu škroba i produkata njegove parcijalne hidrolize, kao i glikogena, provode amilaze (α-amilaza, β-amilaza, glukoamilaza i drugi amilolitički enzimi).

α-amilaze(dekstrinogenamilaza) - po mehanizmu djelovanja pripada endoenzimima, odnosno djeluje na molekul supstrata iznutra, nasumično, što dovodi do brzog smanjenja viskoziteta otopine škroba. Hidrolizira α-1,4 veze u polisaharidima koji sadrže tri ili više ostataka D-glukoze.

Amiloza se pod dejstvom α-amilaze prvo razlaže na dekstrine srednje veličine, koji se zatim razlažu na dekstrine niske molekularne težine i maltozu. Uz produženo djelovanje enzima, amiloza se gotovo u potpunosti pretvara u maltozu i malu količinu glukoze.

Djelovanje α-amilaze na amilopektin dovodi do stvaranja maltoze i dekstrina male molekularne težine.

Opća shema hidroliza škroba α-amilazom:

α-amilaze

Škrobni dekstrini male molekularne težine

(puno) + maltoza (malo) + glukoza (vrlo malo)

Optimalni uslovi za enzim: pH 5,7, temperatura 70 °C.

β-amilaza(sugarogenamilaza) __ egzoenzim, katalizuje hidrolizu α-1,4 veza u polisaharidima, sekvencijalno cijepajući ostatke maltoze sa nereducirajućeg (gdje nema slobodne aldehidne grupe) kraja lanaca. β-amilaza potpuno razgrađuje amilozu (ako je broj molekula glukoze u njoj paran) u maltozu; ako je neparna, tada se zajedno s maltozom stvara maltotrioza.

U amilopektinu, β-amilaza djeluje samo na slobodne, nereducirajuće krajeve lanaca glukoze da bi formirala maltozu i visokomolekularne dekstrine. Njegovo djelovanje prestaje kada se približi grani (gdje postoji α-1,6 veza) na udaljenosti od jednog molekula glukoze. Rezultirajući dekstrini se dalje hidroliziraju α-amilazom u dekstrine niže molekularne težine.

Opća shema hidrolize škroba pod djelovanjem β-amilaze:

β-amilaza

Škrob visoke molekularne težine dekstrini (mnogo) + maltoza (mnogo) + maltotrioza (malo)

Optimalni uslovi za delovanje β-amilaze: pH 4,7, temperatura 63 °C.

Tako se kombinovanim delovanjem α- i β-amilaze na skrob samo 80% pretvara u fermentabilne šećere (maltoza, glukoza, maltotrioza), a 20% __ u dekstrine sa 5-8 ostataka glukoze.

Ograničite dekstrinazu __ endoenzim, nasumično hidrolizira α-1,6-glukozidnu vezu u škrobu, glikogenu, dekstrinima. Najčešće nastaje maltotrioza. Optimalni parametri djelovanja: pH 6,5, temperatura 50°C.

Glucoamilase __ egzoenzim, hidrolizira α-1,4 i α-1,6 veze u polisaharidima, sekvencijalno eliminirajući jedan ostatak glukoze sa nereducirajućih krajeva lanaca. α-1,4 veze u škrobu se uništavaju brže od α-1,6. Optimalni uslovi: pH 4,5-4,6, temperatura 55-60°C.

U raznim industrijama fermentacije, hidroliza škroba je podložna različite zahtjeve. U proizvodnji alkohola potrebno je što dublje hidrolizirati škrob kako bi se dobilo više fermentabilnih šećera, a samim tim i veći prinos alkohola.

U proizvodnji piva se ne provodi potpuna hidroliza škroba, jer osim fermentabilnih šećera (neophodnih za stvaranje određene količine alkohola), medij mora sadržavati niskomolekularne dekstrine koji pivu daju punoću okusa i viskoznost. .

Ovisno o izvoru enzima, svojstva amilaze i drugih enzima mogu se uvelike razlikovati ne samo u mehanizmu djelovanja i konačnim produktima reakcije, već iu optimalnim uvjetima za maksimalnu aktivnost. Gore su dati optimalni parametri djelovanja za α- i β-amilaze slada.

Bakterijske amilaze se razlikuju od amilaza slada po tome što su termički stabilnije. Optimalni parametri djelovanja: temperatura 80-85 °C (ponekad i do 90-95 °C), pH 5,5-5,8.

Gljivične amilaze (uključujući, posebno, glukoamilazu) su otpornije na reakcije okoline: optimalne temperature su 50-60 °C, pH 4,2-4,7.

Dakle, bakterijske amilaze su termostabilnije, a gljivične amilaze djeluju u kiselijoj sredini u odnosu na enzime slada.

2 Hidroliza proteina

Enzimska hidroliza proteina nastaje pod uticajem proteolitičkih enzima. Oni su klasifikovani u endo- i egzo-peptidaze. Enzimi nemaju strogu supstratnu specifičnost i djeluju na sve denaturirane i mnoge prirodne proteine, cijepajući u njima peptidne veze - CO-NH-.

Endopeptidaze (proteinaze)– direktno hidrolizuju protein preko unutrašnjih peptidnih veza. Kao rezultat, formira se značajna količina polipeptida i nekoliko slobodnih aminokiselina. Ovisno o optimalnom pH, dijele se na kisele, neutralne i alkalne. Optimalni uslovi za delovanje kiselih proteinaza: pH 4,5-5,0, temperatura 45-50 °C (do 60 °C).

Egzopeptidaze (peptidaze) djeluju uglavnom na polipeptide i peptide razbijanjem peptidne veze s kraja. Glavni produkti hidrolize su __ aminokiseline. Ova grupa enzimi se dijele na amino-, karboksi- i dipeptidaze.

Aminopeptidaze katalizuju hidrolizu prve peptidne veze koja se nalazi na N-kraju.

H2N - CH - C - - NH - CH - C....

karboksipeptidaze izvršiti hidrolizu prve peptidne veze koja se nalazi pored slobodne karboksilne grupe.

CO - NH - C – H

R

Dipeptidades kataliziraju hidrolitičko cijepanje dipeptida u slobodne aminokiseline. Dipeptidaze cijepaju samo one peptidne veze pored kojih postoje istovremeno slobodne karboksilne i aminske grupe.

dipeptidaza

NH2CH2CONHCH2COOH + H2O 2CH2NH2COOH

Glicin-Glicin glikokol

Optimalni radni uslovi: pH 7-8, temperatura 40-50 oC. Izuzetak je karboksipeptidaza, koja pokazuje maksimalnu aktivnost na temperaturi od 50 °C i pH 5,2.

Nedovoljna hidroliza visokomolekularnih azotnih supstanci negativno utječe na koloidnu stabilnost pića; proizvodi hidrolize proteina (aminokiseline) su neophodni za ishranu kvasca; peptidi __ formiraju punoću okusa piva, njegovu stabilnost pjene i stvaranje pjene.

3 Hidroliza neškrobnih polisaharida

TO neskrobni polisaharidi uključuju celulozu, hemicelulozu, pektin i gumene tvari.

Celuloza __ polisaharid visoke molekularne težine. To je dugačak nerazgranati lanac ostataka glukoze povezanih β-1,4 vezama. Nerastvorljivo u vodi. Uključeno u ćelijskih zidova biljke.

Izvodi se enzimska hidroliza celuloze celulaze (endo- i egzoglukanaze). Proizvodi hidrolize __ glukoza i celobioza. Međutim, celuloza je težak supstrat za djelovanje enzima, jer je netopiva u vodi i sadrži veliki broj nečistoća. Trenutno, u industriji, potpuna hidroliza celuloze može se izvesti samo s koncentriranim kiselinama u vrlo teškim uvjetima ( visoke temperature i pritisak). U ovom slučaju nastaje samo D-glukoza i, pored toga, jedan broj štetnih proizvoda kojih se treba osloboditi.

Hemiceluloze takođe spadaju u grupu polisaharida. Nerastvorljivi su u vodi, ali rastvorljivi u alkalijama i lakše se hidroliziraju kiselinama nego celuloza. Hemiceluloze se dijele u dvije grupe: heksozane i pentozane, koje se sastoje od ostataka različitih monosaharida i njihovih derivata.

Hexosans __ jedinjenja visoke molekularne težine. Mogu biti linearni ili razgranati. Glavni predstavnik je β-glukan, u kojem su ostaci glukoze povezani β-1,3 i β-1,4-glukozidnim vezama.

Pentosans imaju razgranatu strukturu, sastoje se od pentoznih ostataka (šećera sa pet atoma ugljika) __ ksiloze, arabinoze, kao i male količine galakturonske kiseline. Glavni tip obveznica je __ β-1,4, na tačkama grananja __ β-1,3. Predstavnici pentozana su ksilani, arabani i arabinoksilani.

Gumaste supstance su po sastavu bliski hemicelulozima. To su proizvodi nepotpune hidrolize ili sinteze hemiceluloza. Sastoje se od ostataka glukoze, galaktoze, ksiloze, arabinoze i uronske kiseline. Rastvorljiv u vrućoj vodi, proizvodi rastvore visokog viskoziteta.

Hidroliza svih navedenih jedinjenja odvija se pod dejstvom tri grupe citolitičkih enzima: β-glukanaza (npr. endo-β-1,3-glukanaza; egzo-β-1,4-glukanaza), β-ksilanaza i β-glukozidaze (egzoenzim, razgrađuje se sa nereducirajućeg kraja β-1,4-veze, sa stvaranjem glukoze).

Kao rezultat hidrolize neškrobnih polisaharida nastaju glukoza, arabinoza, ksiloza, uronske kiseline i dekstrini. Optimalni uslovi za delovanje citolitičkih enzima: pH 4,5-5,0, temperatura °C.

Hidroliza neškrobnih polisaharida posebno se intenzivno javlja tokom sladovanja, što dovodi do rastvaranja endosperma (citoliza). U pivarstvu, nedovoljna hidroliza ovih supstanci otežava proces filtriranja sladovine i piva i negativno utiče na uklanjanje zamućenja i koloidnu stabilnost pića.

Pektinske supstance __ jedinjenja visoke molekularne težine, polisaharidi koji se sastoje od ostataka galakturonske ili glukuronske kiseline povezanih α-1,4 vezama. U tom slučaju nastaje lanac poligalakturonske kiseline.

Ovaj lanac može sadržavati grane u obliku ostataka metil alkohola CH3O-, a neki od atoma vodika karboksilnih grupa mogu biti zamijenjeni metalnim katjonima. Za ovaj lanac mogu se vezati ostaci šećera: galaktoza, arabinoza, ramnoza u obliku polisaharidnog lanca. Saharidni kompleks čini neutralnu frakciju pektinskih supstanci, a poligalakturonski lanac s metoksilnim grupama formira kiselu frakciju.

Pektinske supstance uključuju protopektin, pektin i pektinske kiseline.

protopektin, ili nerastvorljivi pektin __ nerastvorljiv u vodi, ima složen hemijski sastav i nije dobro proučen. Možda je ovo kombinacija pektina s drugim tvarima: celulozom, hemicelulozom, proteinima.

Pektin, ili rastvorljivi pektin __ poligalakturonske kiseline, čije su karboksilne grupe kombinovane u različitom stepenu sa ostacima metil alkohola, tj. esterifikovane. Molekularna težina od 01/01/0100. Rastvara se u vrućoj vodi. U prisustvu šećera i kiselina formira žele.

Pektinske kiseline– poligalakturonske kiseline visoke molekularne mase koje ne sadrže esterifikovane grupe. Slabo se otapaju u vodi i ne stvaraju žele. Pektinske kiseline mogu formirati soli sa jonima polivalentnih metala, što rezultira stvaranjem netopivih jedinjenja koja se talože.

Pektinske tvari smanjuju prinos sokova od voćnih i bobičastih sirovina, otežavaju njihovo bistrenje i smanjuju otpornost vina i likera na koloidne zamućenosti.

Pod uticajem dolazi do hidrolize pektinskih supstanci pektolitički enzimi : protopektinaze, pektinestraze, poligalakturonaze.

Protopektinaza cijepa u protopektinu veze između metoksilovane poligalakturonske kiseline i arabana i galaktana povezanih s njom. Rezultat je metoksilovana poligalakturonska kiselina, koja je rastvorljivi pektin.

Araban metoksilirani galaktan

poligalakturonska kiselina

Slika 20 - Djelovanje protopektinaze

Pektinesteraza(pektaza) pripada grupi esteraza i hidrolizira estarske veze rastvorljivog pektina, uklanjajući metoksilne grupe iz metoksilirane poligalakturonske kiseline. Ovo stvara metil alkohol(CH3OH) i poligalakturna kiselina.

Poligalakturonaza(pektinaza) djeluje na rastvorljivi pektin, katalizujući cijepanje α-1,4-glukozidnih veza između ostataka galakturonske kiseline koji ne sadrže metoksi grupe. Kao rezultat, nastaju galakturonska i poliuronska kiselina.

Prema mehanizmu djelovanja razlikuju se endo- i egzopoligalakturonaze. Endopoligalakturonaza djeluje "nasumično", prekida lanac unutar molekule supstrata i dovodi do naglog smanjenja viskoziteta otopina.

Egzopoligalakturonaza djeluje s kraja lanca na cijepanje galakturonske kiseline. Pod uticajem ovog enzima, viskoznost se blago smanjuje.

Optimalni uvjeti za djelovanje pektolitičkih enzima; pH 3,7-4,0, temperatura 40-50 °C.

4 Enzimski preparati: karakteristike i nomenklatura

Enzimski preparati se široko koriste u razne industrije industrija. Razlikuju se od čistih enzima po tome što sadrže ili jedan ili više enzima s prevlašću jednog, kao i balastne tvari okoline u kojoj su uzgajani mikroorganizmi koji su proizveli enzime.

Za industrijsku proizvodnju enzimskih preparata, mikroorganizama izolovanih iz prirodni izvori i mutageni sojevi (dobiveni izlaganjem hemijskim i fizičkim faktorima). Aktivni proizvođači enzima su mikroskopske gljive iz rodova Aspergillus (vrste oryzae, niger, awamori, batatae, foetidus, flavus, itd.), Rhisopus, Penicillium, Fusarium, Trichoderma (vrsta viride), bakterije koje nose spore iz rodova Bacillus ( vrste subtilis, mesentericus, brevis i dr.), Clostridium

Naziv lijeka počinje skraćenim nazivom glavnog enzima čija aktivnost dominira. Nakon toga slijedi izmijenjeno specifično ime proizvođača i završetak "in". Naziv lijeka također odražava metodu uzgoja mikroorganizma koji proizvodi. Za dubinsku kultivaciju, slovo “G” se stavlja iza naziva, a za površinsku kultivaciju slovo “P”.

Konvencionalno, količina enzima u standardnoj kulturi označava se "x". Broj ispred “x” označava stepen prečišćavanja enzima tokom proizvodnje ovog lijeka.

Na primjer: Amylosubtilin G10x __ enzimski preparat amilolitičkog djelovanja, bakterijskog porijekla, proizvođač - bakterija Bacillus subtilis, uzgojen dubokom metodom, stepen prečišćavanja 10x, u obliku praha. Pektofoetidin P20x __ visoko prečišćeni suvi enzimski preparat sa pektolitičkom aktivnošću, koji proizvodi mikroorganizam __ plijesan Aspergillus foetidus, površinski uzgojen.

Šematski dijagram dobijanja enzimski preparati je prikazano na slici 22. Shema pročišćavanja enzima od balastnih tvari svodi se na oslobađanje od netopivih, pratećih topljivih tvari i drugih enzima. Iz površinskih kultura teže je dobiti visoko prečišćene preparate, jer sadrže puno balastnih tvari. Lakše je dobiti prečišćene preparate iz dubokih kultura. Shema prečišćavanja uključuje različite metode (koncentracija, dijaliza, precipitacija organskim rastvaračima, soli, gel filtracija, itd.).

Proizvedeni enzimski preparati su ili tekućine ili prahovi bijele, sive ili žućkaste boje sa određenom standardnom aktivnošću enzima.

Nomenklatura domaći enzimski preparati:

Px i Gx - nerafinirano standardna izvorna kultura proizvođača.

P2x i G2x - tečni, nepročišćeni koncentrat rastvorljivih supstanci izvorne kulture, oslobođeni nerastvorljivog dela (P2x - koncentrat sa sadržajem suve materije od 50%, G2x - ne više od 40%).

PZh i GZh __ suvi enzimski preparati dobijeni sušenjem prskanjem sirovog rastvora enzima (ekstrakt površinske kulture ili filtrat duboke kulture).

Lijekovi označeni 2x i 3x su tehnički.

P10x i G10x __ suhi oljušten preparati dobijeni taloženjem enzima iz vodenih rastvora organskim rastvaračima ili metodom soljenja.

P15x, G15x __ prečišćeni enzimski preparati, dobijeni razne metode prečišćavanje i frakcionisanje enzima.

P20x, G20x __ visoko prečišćen, ali ne i kristalni enzimski preparati koji sadrže do 20-25% balastnih supstanci, dobijeni koncentriranjem i prečišćavanjem u ultrafiltracijskim jedinicama praćenim sušenjem raspršivanjem.

Preparati sa indeksom većim od 20x se ne koriste u nomenklaturi, jer se u ovim slučajevima radi o visoko prečišćenim, pa čak i homogenim enzimskim preparatima, koji se pominju u klasifikaciji enzima.

Svaki enzimski preparat mora biti okarakterisan svojim enzimska aktivnost, obično izraženo u standardnim jedinicama. Standardna jedinica aktivnosti je količina enzima koja katalizuje konverziju jednog mikromola supstrata u jedinici vremena (1 min.) u standardnim uslovima (temperatura 30 °C).

Sljedeći enzimski preparati se široko koriste u industriji fermentacije:

Amilolitičko djelovanje (Amilorizin Px, P3x, P10x; Amylosubtilin G3x, G10x, G20x; Glucoavamorin Px, itd.);

Proteolitičko djelovanje (Protosubtilin G20x, Protoorizin P10x);

Citolitičko djelovanje (Cytorosemin Px, P10x; Celloviridin G3x, P10x; Celloconingin P10x, itd.);

Pektolitičko djelovanje (Pectavamorin G3x, Pectofoetidin G3x, G10x, G20x).

U proizvodnji alkohola, zamjena slada enzimskim preparatima omogućava vam uštedu vrijednih prehrambenih sirovina, smanjenje kapitalnih troškova za izgradnju sladora, poboljšanje uslova rada radnika, ubrzanje tehnoloških procesa i povećanje prinosa gotovih proizvoda.

U pivarstvu upotreba enzimskih preparata omogućava preradu povećane količine neslađenih sirovina i povećanje koloidne stabilnosti piva.

U proizvodnji sokova i vina, enzimski preparati se koriste za preradu pulpe u cilju povećanja prinosa soka, kao i za bistrenje sokova i vinskog materijala.

5 Imobilizirani enzimi

Trenutno se enzimski preparati široko koriste u raznim industrijama. Međutim, preparati enzima su skupi katalizatori. Osim toga, budući da su rastvorljivi, mogu se koristiti samo jednom. Stoga je nemoguće periodične procese pretvoriti u kontinuirane i zaustaviti enzimsku reakciju u pravo vrijeme.

Obećavajuće je za korištenje imobilizirani enzimi. Oni su nerastvorljivi biokatalizatori u kojima je enzim povezan s bilo kojim nosačem ili je zatvoren u matricama ili mikrokapsulama. Istovremeno, enzimi zadržavaju svoju aktivnost i specifičnost, postaju otporniji na reakcije okoline, mogu sudjelovati u kontinuiranim procesima i mogu se više puta koristiti.

Nosači za koje je enzim vezan moraju biti nerastvorljivi, imati hemijsku i biološku otpornost, visoku mehaničku čvrstoću, zrnasti nosači moraju imati ujednačen oblik i veliku specifičnu površinu. Kao nosači koriste se prirodni polimeri (derivati celuloze, agaroze, dekstrana), sintetički (polistiren, akrilamid, najlon), kao i porozno staklo, oksidirani metali, glina, silika gel, tkanina, papir itd.

Imobilizacija enzima može se provesti na dva načina: bez stvaranja kovalentnih veza između matriksa i proteinske molekule enzima ( fizičke metode) i stvaranjem kovalentne veze (hemijske metode).

Fizičke metode imobilizacije. Da bi se dobili stabilni netopivi oblici enzima, široko se koristi sposobnost proteina da se adsorbiraju na različitim površinama. Često je sorpcija enzima neučinkovita zbog činjenice da su izoelektrična točka proteina i optimalni pH katalitičke aktivnosti blizu. Jaka sorpcija se opaža samo u onim pH regijama gdje je katalitička aktivnost niska. Da bi se ova kontradikcija prevazišla, predložena je metoda imobilizacije premodifikovanih (uvođenjem jonogenih grupa) proteina. Modifikacija dovodi do pomaka u izoelektričnoj tački enzimskog proteina, dok njegova katalitička aktivnost ostaje gotovo nepromijenjena. Kao rezultat, modifikovani enzim se dobro sorbuje na nosačima.

Hemijske metode. Imobilizacija enzima stvaranjem novih kovalentnih veza trenutno je dominantna metoda za proizvodnju dugodjelujućih biokatalizatora. Prednost ove metode je u tome što enzim ne ulazi u otopinu čak i nakon vrlo duge upotrebe. Hemijska metoda osnovni je u pripremi imobiliziranih enzimskih preparata.

Hemijska imobilizacija se može izvesti i na polimernom nosaču i umrežavanjem proteinskih molekula bez upotrebe nosača. U potonjem slučaju moguće je dobiti nerastvorljive lijekove visoke specifične aktivnosti, ali su zbog svojih tehnoloških svojstava neperspektivni za industrijsku upotrebu.

Tradicionalna hemijska metoda je formiranje kovalentne veze između nosača i enzimskog proteina kroz hemijsku interakciju. Najčešće reakcije su acilacija, alkilacija, redoks, radikal i formiranje imina.

Imobilizirani enzimi se razlikuju po svojim svojstvima od nativnih, jer se kao rezultat imobilizacije mijenja prostorna struktura proteinske molekule. Aktivnost imobiliziranih enzima u većini slučajeva je smanjena zbog modifikacije molekule enzima i zaštite aktivnog centra. Ali, uprkos tome, imobilizacija dovodi do povećane stabilnosti enzima u širem rasponu pH i temperature, što je važno za dugotrajnu upotrebu enzima, kao i njihovu stabilnost tokom skladištenja.

Pozitivno je i to da su imobilizirani enzimi otporniji na djelovanje inhibitora. Optimalne vrijednosti pH i temperature se ne mijenjaju. Kada se imobiliziraju u poroznim nosačima, enzimi postaju nepristupačni za djelovanje mikroorganizama, jer su veličine pora nosača manje od veličine ćelija mikroorganizama.

Kontrolna pitanja

1 Objasnite ulogu hidrolitičkih enzima u tehnologiji fermentacije.

2 Opišite učinak hidrolitičkih enzima na škrob, neškrobne polisaharide i proteine.

3 Navedite optimalne parametre za djelovanje amilolitičkih, proteolitičkih, citolitičkih enzima.

4 Navedite glavne produkte hidrolize škroba, proteina, hemiceluloze, pektina i gumenih tvari.

5 Opišite ulogu amilaza, proteaza, citaza, pektolitičkih enzima u proizvodnji fermentisanih pića.

6 Objasnite po čemu se enzimski preparat razlikuje od enzima.

7 Kako se zove enzimski preparat?

8 Navedite glavne industrije fermentacije u kojima se koriste enzimski preparati i za koje svrhe.

9 Šta je imobilizacija enzima?

10 Koje prednosti imaju imobilizirani enzimi u odnosu na rastvorljive?

3 METODOLOŠKA UPUTSTVA ZA IZUČAVANJE DISCIPLINE

“General Industry Technology” (GTE) je prva u nizu glavnih disciplina, gdje se studenti upoznaju s onim što je tehnologija općenito, a posebno s tehnologijom proizvodnje fermentacije. Predmet se zasniva na znanjima stečenim izučavanjem hemije, biohemije, mikrobiologije, procesa i aparata za proizvodnju hrane.

Savladavanje gradiva ove discipline omogućava studentu sticanje znanja o teorijskim osnovama tehnologije fermentacije, obrascima rasta i razvoja mikroorganizama, karakteristikama i svojstvima sirovina, enzima.

Rad na izučavanju predmeta opšte teorije relativnosti treba da bude redovan, dosledan i sistematičan. Neophodno je proučiti tok predavanja, kao i specijalnu literaturu, čiji se spisak nalazi na kraju metodičkog kompleksa.

Proučavanje ovog ili onog materijala mora biti aktivno, efikasno, odnosno svaki koncept, teorijska pozicija, praktična tehnika moraju se razumjeti i razumjeti duboko i detaljno.

Prilikom izučavanja predmeta trebalo bi da pređete sa razumevanja opšteg na detaljnu analizu specifičnog, nakon čega sledi ponovna evaluacija opšteg na višem nivou.

Dubina samostalne asimilacije glavnog materijala može se provjeriti pomoću pitanja za samokontrolu koja se postavljaju nakon svake teme predavanja.

4 METODOLOŠKA UPUTSTVA ZA OBAVLJANJE KONTROLNIH RADOVA

Testovi koje studenti sprovode tokom samostalnog izučavanja discipline daju predstavu o stepenu pripremljenosti studenata, njihovoj osposobljenosti za rad sa stručnom literaturom i pismenim izlaganjem gradiva, te omogućavaju da se ocijeni opšta erudicija i pismenost studenata.

Testovi se izvode u obliku detaljnih rukom pisanih ili štampanih sažetaka, ilustrovanih dijagramima, grafikonima, dijagramima, crtežima, koji se mogu pozajmiti iz stručne literature (udžbenici, nastavna sredstva, naučni i industrijski časopisi). Neprihvatljivo je mehaničko, od riječi do riječi prepisivanje građe iz udžbenika i drugih književnih izvora.

2 Biohemijski procesi koji se javljaju u zrnu tokom skladištenja: sazrevanje posle žetve, disanje, samozagrevanje.

Opcija 9

1 Struktura ćelije kvasca.

2 Načini skladištenja žitarica.

Opcija 10

1 Hemijski sastavćelija kvasca.

2 načina skladištenja žitarica.

Opcija 11

1 Hemijski sastav i struktura biomembrana prema savremenim konceptima.

2 Melasa: karakteristike, vrste, hemijski sastav.

Opcija 12

1 Metode za prijenos tvari preko membrane

2 Hmelj: karakteristike, struktura, hemijski sastav, skladištenje.

Opcija 13

1 Industrijska infekcija, njeni izvori.

2 Krompir: karakteristike, struktura, hemijski sastav.

Opcija 14

1 Metabolizam ćelija kvasca.

2 Grožđe: struktura, hemijski sastav.

Opcija 15

1 Šema alkoholne fermentacije.

2 Vrste sirovina koje se koriste u proizvodnji piva, kvasa, alkohola, vina, pekarskog kvasca.

Opcija 16

1 Sekundarni i nusproizvodi alkoholne fermentacije.

Opcija 17

1 Kvasci gornjeg i donjeg vrenja, njihove komparativne karakteristike.

2 Metode i načini skladištenja krompira.

Opcija 18

1 Rase kvasca koje se koriste u proizvodnji alkohola, piva, vina, pekarskog kvasca i potrebe za njima.

2 Dostava i skladištenje melase.

Opcija 19

1 Uvjeti za rast i razmnožavanje kvasca. Čista kultura kvasca.

2 Hemija i glavni proizvodi disanja.

Opcija 20

1 Funkcije biomembrana.

2 Štetočine žitarica, suzbijanje njih.

Opcija 21

1 Indikatori opšte značenježitarice.

2 Utjecaj pH, aktivatora i inhibitora na vitalnu aktivnost mikroorganizama.

Opcija 22

1 Pokazatelji tehnološkog značaja žitarica.

Opcija 12

1 Oksidabilnost vode. Sadržaj suvog ostatka.

2 Enzimski preparati: njihove karakteristike i nomenklatura.

Opcija 13

1 Biološki indikatori vode.

2 Upotreba enzimskih preparata u proizvodnji piva i alkohola.

Opcija 14

1Zahtjevi za vodu u proizvodnji alkoholnih i bezalkoholnih pića.

2 Mikroorganizmi koji proizvode enzime.

Opcija 15

1 Priprema vode u industriji fermentacije. Koagulacija koloida, dezodoracija vode, uklanjanje gvožđa.

2 Imobilizirani enzimi.

Opcija 16

1 Metode omekšavanja vode.

1 Upotreba enzimskih preparata u proizvodnji vina i likera.

Opcija 17

1 Metode dezinfekcije vode.

2 Šematski dijagram proizvodnje enzimskih preparata.

Opcija 18

1Potrebe za vodom za proizvodnju slada.

2 Metode za smanjenje tvrdoće vode: termička, reagensna, jonska izmjena.

Opcija 19

1 Metode bistrenja vode.

2 Mehanizam djelovanja enzima.

Opcija 20

1 Enzimi žitarica.

2 Indikatori vode za industrijske potrebe.

Opcija 21

1 Enzimi mikroorganizama.

2 Zahtjevi za vodu u raznim industrijama fermentacije.

Opcija 22

1 Enzimska hidroliza skroba.

2 Metode omekšavanja vode reverznom osmozom, elektrodijalizom.

Opcija 23

1 Enzimska hidroliza proteina.

2 Biološke metode tretmana otpadnih voda.

Opcija 24

1 Hidroliza neškrobnih polisaharida.

2 Indikatori zagađenja otpadnih voda.

Opcija 25

1 Pektinske supstance i njihova hidroliza.

2 Otpadne vode iz preduzeća u industriji fermentacije.

5 PITANJA ZA ISPIT

1 Mikroorganizmi koji se koriste u industriji fermentacije.

2 Faze razvoja kultura mikroorganizama.

3 Metode uzgoja mikroorganizama: šaržni i kontinuirani.

4 Utjecaj na životnu aktivnost mikroorganizama redoks potencijala.

5 Utjecaj temperature na rast i razmnožavanje mikroorganizama.

6 Utjecaj koncentracije suhih tvari u podlozi na vitalnu aktivnost mikroorganizama. Plazmoliza, plazmoptis.

7 Odnosi između mikroorganizama: simbioza, metabioza, antagonizam.

8 Struktura ćelije kvasca.

9 Hemijski sastav ćelije kvasca.

10 Hemijski sastav i struktura biomembrana prema savremenim konceptima.

11 Funkcije biomembrana.

12 Transport supstanci u ćeliju, vrste transporta.

13 Metode prenosa supstanci kroz membranu (uniport, symport, antiport).

14 Industrijska infekcija, njeni izvori. Metode dezinfekcije.

15 Osnovna svojstva enzima kao katalizatora i proteinskih supstanci.

16 Klasifikacija enzima prema vrsti reakcija koje katalizuju.

17 Regulacija aktivnosti enzima: kompetitivni, nekompetitivni inhibitori, alosterični regulatori.

18 Katalitička aktivnost enzima. Standardna jedinica aktivnosti enzima, specifična aktivnost.

19 Utjecaj temperature i pH na aktivnost enzima.

20 Utjecaj koncentracije supstrata i enzima na brzinu enzimske reakcije.

21 Djelovanje hidrolitičkih enzima: enzimska hidroliza škroba, hidroliza neškrobnih polisaharida, hidroliza proteina.

22 Enzimi žitarica i mikroorganizmi.

23 Enzimski preparati i njihova nomenklatura.

24 Upotreba enzimskih preparata u proizvodnji piva, alkohola i vinarstva.

25 Metabolizam ćelija kvasca.

26 Optimalni uslovi za život kvasca.

27 Šema alkoholne fermentacije.

28 Sekundarni i nusproizvodi alkoholne fermentacije.

29 Kvasac gornjeg i donjeg vrenja, njihove karakteristike.

30 Rase kvasca koje se koriste u proizvodnji alkohola, piva, vina, pekarskog kvasca i potrebe za njima.

31 Klasifikacija sirovina u industriji fermentacije.

32 Ekonomski i tehnološki zahtjevi za sirovine u industriji fermentacije.

33 Vrste sirovina koje se koriste u proizvodnji piva, alkohola, vina, pekarskog kvasca.

34 Vrste žitarica.

35 Struktura zrna (na primjeru ječma).

36 Hemijski sastav žitarica.

37 Fizička svojstva zrnasta masa.

38 Biohemijski procesi koji se javljaju u zrnu tokom skladištenja: sazrevanje posle žetve, disanje, samozagrevanje.

39 Načini skladištenja žitarica.

40 načina skladištenja žitarica.

41 Štetočine žitarica, suzbijanje njih.

42 X mljeveno, grožđe, krompir: hemijski sastav i skladištenje.

43 Hemijski sastav melase i uslovi skladištenja.

44 Karakteristike prirodnih voda. Nečistoće vode.

45 Upotreba vode u proizvodnji. Opšti zahtjevi za vodu.

46 Tvrdoća vode: privremena, trajna, ukupna. Jedinice.

47 Alkalnost vode.

48 Oksidabilnost u vodi. Sadržaj suvog ostatka.

49 Biološki indikatori vode.

50 Tehnološka namjena vode. Zahtjevi za vodu u proizvodnji piva, alkohola, slada, pekarskog kvasca.

51 Zahtjevi za vodu u proizvodnji alkoholnih i bezalkoholnih pića.

52 Priprema vode u industriji fermentacije. Koagulacija koloida, dezodoracija vode, uklanjanje gvožđa.

53 Metode omekšavanja vode.

54 Metode dezinfekcije vode.

55 Otpadne vode iz fermentacionih postrojenja, njihove karakteristike. COD, BOD.

56 Tretman otpadnih voda iz fermentacionih postrojenja.

BIBLIOGRAFSKI LIST

1 Boldyrev u biohemiji membrana.__ M.: Viša škola, 1986.__ 112 str.

2 Voda i otpadne vode u prehrambenoj industriji – M.: Prehrambena industrija, 1972. – 384 str.

3 Grachev enzimski preparati. – M.: Agropromizdat, 1987. – 335 str.

4 Napredak u tehnologiji slada i piva / Ed. KolpakchiA. I. __ M.: Prehrambena industrija, Prag: SNTL-Izdat. tehnička literatura, 1980. __ 351 str.

5, Bakushin mikrobiologija, sanitacija i higijena u prehrambenoj industriji – M.: Prehrambena industrija, 1977. – 501 str.

6, Farajeva: njihova uloga u tehnologiji prehrambeni proizvodi. __ Voronjež: Izdavačka kuća. VSU, 1999. __ 118 str.

7 Lkhotsky A. Enzimi u pivarstvu. __ M.: Prehrambena industrija, 1975. __ 318 str.

8 Maltsev fermentacioni pogoni – M.: Laka i prehrambena industrija, 1980. – 560 str.

9 Metode za proučavanje kvaliteta sirovina, međuproizvoda i gotovih proizvoda fermentacionih postrojenja. Dio 1. Laboratorijska radionica “Analiza sirovina za fermentacione pogone”. , Permyakova TIPP. __ Kemerovo, 2001. – 67 str.

10, Shishatsky pekarski kvasac. Imenik. __ M.: Agropromizdat, 1990. – 335 str.

11 Priručnik za proizvodnju alkohola. Sirovine, tehnologija i tehničko-hemijsko upravljanje/ itd. __ M.: Laka i prehrambena industrija, 1981. – 336 str.

12, Fedorov tehnologija proizvodnje fermentacije. __ M.: Kolos, 2002. __ 408 str.

13 Enzimski preparati u prehrambenoj industriji. /Ed. I. – M.: Prehrambena industrija, 1975. – 535 str.

14 Hmelj i preparati od hmelja u prehrambenoj industriji / itd. - M.: Laka i prehrambena industrija, 1982. - 168 str.

15, Ponomarev prerada grožđa. – M.: Agropromizdat, 1990. – 447 str.

Hidrolaze uključuju amilolitičke, proteolitičke, citolitičke, lipolitičke, pektolitičke i druge enzime.

Hidrolizu škroba provode amilolitički enzimi.

Škrob- polisaharid koji se pak sastoji od dva polisaharida, koji se razlikuju po stepenu polimerizacije i vrsti strukture - amiloze (približni sadržaj 20-30%) i amilopektina ( 70-80%). Strukturna jedinica škroba, a time i amiloze i amilopektina, je glukoza, čiji su ostaci međusobno povezani α-1,4 i α-1,6-glukozidnim vezama.

o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-

Slika 16 – Struktura amiloze

Hidrolizu škroba i produkata njegove parcijalne hidrolize, kao i glikogena, provode amilaze (α-amilaza, β-amilaza, glukoamilaza i drugi amilolitički enzimi).

α-amilaze(dekstrinogenamilaza) - po mehanizmu djelovanja spada u endoenzime, tj. djeluje na molekulu supstrata iznutra, nasumično, što dovodi do brzog smanjenja viskoziteta otopine škroba. Hidrolizira α-1,4 veze u polisaharidima koji sadrže tri ili više ostataka D-glukoze.

Djelovanje α-amilaze na amilopektin dovodi do stvaranja maltoze i dekstrina male molekularne težine.

Opća shema hidrolize škroba α-amilazom:

α-amilaze

Škrobni dekstrini male molekularne težine

(puno) + maltoza (malo) + glukoza (vrlo malo)

Optimalni uslovi za enzim: pH 5,7, temperatura 70 °C.

Opća shema hidrolize škroba pod djelovanjem β-amilaze:

β-amilaza

Škrob visoke molekularne težine dekstrini (mnogo) + maltoza (mnogo) + maltotrioza (malo)

Optimalni uslovi za delovanje β-amilaze: pH 4,7, temperatura 63 °C.

Tako se kombinovanim delovanjem α- i β-amilaze na skrob samo 80% pretvara u fermentabilne šećere (maltoza, glukoza, maltotrioza), a 20% __ u dekstrine sa 5-8 ostataka glukoze.

Različita postrojenja za fermentaciju imaju različite zahtjeve za hidrolizom škroba. U proizvodnji alkohola potrebno je što dublje hidrolizirati škrob kako bi se dobilo više fermentabilnih šećera, a samim tim i veći prinos alkohola.

Bakterijske amilaze se razlikuju od amilaza slada po tome što su termički stabilnije. Optimalni parametri djelovanja: temperatura 80-85 o C (ponekad i do 90-95 o C), pH 5,5-5,8.

Gljivične amilaze (uključujući glukoamilazu, posebno) su otpornije na reakcije okoline: optimalna temperatura 50-60 o C, pH 4,2-4,7.

Dakle, bakterijske amilaze su termostabilnije, a gljivične amilaze djeluju u kiselijoj sredini u odnosu na enzime slada.

U mnogim prehrambenim industrijama odvija se hidroliza prehrambenih glikozida, oligosaharida i polisaharida. Hidroliza zavisi od mnogih faktora: pH, temperature, anomerne konfiguracije, enzimskog kompleksa. Važan je ne samo za procese proizvodnje hrane, već i za procese skladištenja hrane. U potonjem slučaju, reakcije hidrolize mogu dovesti do neželjenih promjena boje ili, u slučaju polisaharida, mogu dovesti do njihove nesposobnosti da formiraju gelove.

Sada se velika pažnja poklanja dobijanju raznih šećernih sirupa od žitarica od jeftinih sirovina koje sadrže škrob i škroba (raž, kukuruz, sirak, itd.). Njihova proizvodnja svodi se na upotrebu različitih kombinacija preparata amilolitičkih enzima (b-amilaza, glukoamilaza, b-amilaza). Mogućnosti enzimske metode za proizvodnju raznih slatkih proizvoda su vidljive na dijagramima (vidi sliku 1.1). Proizvodnja glukoze (pomoću glukoamilaze), a zatim i djelovanje glukozo-izomeraze, omogućava dobivanje glukozno-fruktoznih i visokofruktoznih sirupa, čija upotreba omogućava zamjenu saharoze u mnogim industrijama. U tabeli 1.1. prikazani su podaci o “slatkoći” različitih sirupa.

Poznato je da se b-D-(1,4)-veze u škrobu lakše hidroliziraju nego c-D-(1,4)-veze u celulozi. Osim toga, spora reakcija hidrolize celuloze povezana je s njenom strukturom.

Rice. 1.1. Mogućnost dobijanja raznih šećernih sirupa iz kukuruznog škroba (kiselinske, kiselinsko-enzimske i enzimske metode): a-b - kisela hidroliza; c-d - efekat gljivične amilaze na kiseli hidrolizat (GE = 50); d-f - efekat β-amilaze na kiseli hidrolizat (GE = 20); g-h - efekat β-amilaze na supstrat ukapljen od α-amilaze (GE = 20); i-k - dalje djelovanje gljivične amilaze ili u mješavini s β-amilazom i glukoamilazom

Prilikom proizvodnje šećernih sirupa od škroba, stupanj konverzije škroba u D-glukozu mjeri se u jedinicama ekvivalenta glukoze (GE) - to je sadržaj (u%) nastalih reducirajućih šećera, izražen u glukozi po suhoj tvari (DS ) sirupa.

Tabela 1.1. Sastav i slatkoća tipičnih visokofruktoznih sirupa

Hidroliza škroba

1. Kada se škrob hidrolizira pod utjecajem kiselina, asocijativne veze između makromolekula amiloze i amilopektina prvo slabe i pucaju. To je popraćeno poremećajem strukture škrobnih zrnaca i stvaranjem homogene mase. Zatim dolazi do prekida b-D-(l,4)- i b-D-(1,6)-veze uz dodatak molekula vode na mjestu prekida. Tokom procesa hidrolize povećava se broj slobodnih aldehidnih grupa i smanjuje se stepen polimerizacije. Kako se hidroliza i redukujuće (reducirajuće) tvari povećavaju, sadržaj dekstrina se smanjuje, glukoza raste, koncentracija maltoze, tri- i tetrašećera prvo raste, a zatim se smanjuje njihova količina (vidi sliku 1.2). Konačni proizvod hidrolize je glukoza. U srednjim fazama nastaju dekstrini, tri- i tetrašećeri i maltoza. Određeni odnos ovih proizvoda odgovara određenoj vrednosti ekvivalenta glukoze, a variranjem trajanja hidrolize i uslova za njeno sprovođenje moguće je dobiti različiti omjeri pojedinačni proizvodi hidrolize na datoj vrijednosti ekvivalenta glukoze.

Rice. 1.2.

Kisela hidroliza je dugo bila glavna metoda za dobivanje glukoze iz škroba. Ova metoda ima niz značajnih nedostataka, koji su povezani sa upotrebom visokih koncentracija kiselina i visokim temperaturama, što dovodi do stvaranja produkata termičke degradacije i dehidratacije ugljikohidrata i reakcija transglikozilacije.

2. Skrob se također hidrolizira pod djelovanjem amilolitičkih enzima. Grupa amilolitičkih enzima uključuje b- i b-amilazu, glukoamilazu, pululanazu i neke druge enzime. Amilaze su dvije vrste: endo- i egzo-amilaze. Jasno izražena endoamilaza je b-amilaza, koja je sposobna da razbije intramolekularne veze u visokopolimernim lancima supstrata. Glukoamilaza i β-amilaza su egzoamilaze, odnosno enzimi koji napadaju supstrat sa nereducirajućeg kraja.

b-Amilaza, djelujući na cijelo zrno škroba, napada ga, labavi površinu i formira kanale i žljebove, odnosno kao da cijepa zrno na komade (vidi sliku 1.3). Želatinizirani škrob se hidrolizira kako bi se formirali proizvodi koji nisu obojeni jodom - uglavnom niskomolekularni dekstrini. Proces hidrolize škroba je višestepeni. Kao rezultat djelovanja b-amilaze, u prvim fazama procesa u hidrolizatu se akumuliraju dekstrini, zatim nastaju tetra- i trimaltoza, koje nisu obojene jodom, koje b-amilaza vrlo sporo hidrolizira do di- i monosaharidi.

Rice. 1.3.

Shema hidrolize škroba (glikogena) pomoću a-amilaze može se predstaviti na sljedeći način:

β-amilaza (β-1,4-glukan maltohidrolaza) je egzoamilaza koja pokazuje afinitet za pretposljednju β-(1,4)-vezu sa nereducirajućeg kraja linearne regije amiloze ili amilopektina (vidi sliku 1.4. ). Za razliku od b-amilaze, b-amilaza praktično ne hidrolizira prirodni škrob; želatinizirani škrob se hidrolizira u maltozu u b-konfiguraciji. Shema se može napisati na sljedeći način:

polisaharid škroba hidrolize hrane

Rice. 1.4.

Glukoamilaza b-(1,4)-glukan glukohidrolaza je egzoenzim koji katalizira sekvencijalno cijepanje terminalnih ostataka b-D-glukoze sa nereducirajućeg kraja skrobnog lanca. Mnoge glukoamilaze imaju sposobnost da hidroliziraju b-1,6-glukozidne veze jednako brzo kao i b-1,4 veza. Ali to se dešava samo kada vezu b-1,6 prati veza b-1,4, tako da oni ne hidroliziraju dekstran. Prepoznatljiva karakteristika glukoamilaza je sposobnost da hidrolizira visokopolimerizirani supstrat desetine puta brže od oligo- i disaharida.

Rice. 1.5.

Mehanizam djelovanja glukoamilaze na škrob je shematski prikazan na Sl. 1.5.

Enzimska hidroliza škroba prisutna je u mnogim prehrambenim tehnologijama kao jedan od neophodnih procesa koji osiguravaju kvalitetu finalnog proizvoda - u pekarstvu (proces pravljenja tijesta i pečenja kruha), proizvodnji piva (priprema pivske sladovine, sušenje slada) , kvas (priprema kvasnog kruha), alkohol (priprema sirovina za fermentaciju), razni proizvodi od šećera (glukoza, melasa, šećerni sirupi). Na sl. 1.6 prikazan je sastav različitih šećernih sirupa dobivenih kiselinsko-enzimskom metodom - prethodnom obradom kiselinom, a zatim djelovanjem enzima b-, b- i (ili) glukoamilaze. Upotreba ovakve kombinovane metode hidrolize škroba otvara široke mogućnosti za dobijanje sirupa datog sastava.

PROIZVODNJA ETANOLA

Globalno tržište etanola iznosi oko 4 milijarde dal (dekalitara apsolutnog alkohola) godišnje. Lideri u proizvodnji etanola su SAD, Brazil i Kina. U SAD-u postoji 97 fabrika za proizvodnju etanola iz kukuruza (gradi se još 35) ukupnog kapaciteta od 1,5 milijardi dekalitara godišnje.

Glavna područja upotrebe etanola u svjetskoj praksi:

− 60% – aditiv motornom gorivu;

− 25% − hemijska industrija;

− 15% – prehrambena industrija (udio u opadanju).

Automobilsko gorivo na bazi etanola sadrži 10% etanola (E-10 gorivo) ili 85% etanola (E 85). Sa cijenom nafte od 60-70 dolara po barelu, bioetanol postaje konkurentno gorivo. Uvođenje etanola u benzin omogućava eliminaciju dodavanja tetraetil olova u gorivo, što rezultira smanjenjem toksičnosti izduvnih plinova i potrošnje goriva.

U SAD-u se provode velika istraživanja proizvodnje bioetanola iz obnovljivih biljnih sirovina (od stabljika kukuruza, trske itd.)

U industrijskim uslovima, etanol se proizvodi hidratacijom etilena u prisustvu katalizatora (H 3 PO 4 na silika gelu), iz hidrolizata biljnih sirovina (drvo, stabljike kukuruza, trske), kao i od sirovina koje sadrže skrob. materijali (pšenica, raž, tritikale, krompir), melasa, mlečna surutka, jerusalimska artičoka. Prosječan prinos 95,5% etil alkohola iz 1 tone različitih vrsta sirovina prikazan je u tabeli 2.1.

Tabela 2.1

Prinos etanola iz različitih sirovina

Kraj tabele 2.1

U destilerijama u Republici Bjelorusiji (postoji oko 70 destilerija s ukupnim kapacitetom većim od 9 miliona dekalitara godišnje) za proizvodnju etanola koriste se sirovine koje sadrže škrob, uglavnom žitarice. Sadržaj skroba u razne vrste količine zrna (u%): pšenica – 48–57; raž – 46–53; ječam – 43–55; zob – 34–40; proso – 42–60; kukuruz – 61–70. Zrno također sadrži (u prosjeku) šećera ~ 3%; vlakna ~ 6%; pentozani i pektinske supstance ~ 9%; dušične (proteinske) supstance ~ 11%, masti ~ 3%.

Proizvođači etanola

U mikrobiološkoj sintezi, klasični proizvođači etanola su kvasci - Saccharomycetes i Schizosaccharomycetes. Najčešće se koristi kvasac Saccharomyces cerevisiae,Saccharomyces vini,Schizosaccharomyces pombe.

Saharomicete imaju ćelije okruglog oblika veličine 10-15 mikrona i razmnožavaju se pupoljkom. Šizosaharomiceti imaju velike ćelije u obliku štapa promjera 4-5 mikrona i dužine 18-20 mikrona; razmnožavaju se diobom. Oba kvasca dobro fermentiraju glukozu, manozu, fruktozu, saharozu i maltozu; teže fermentiraju galaktozu i ne fermentiraju pentozne šećere (ksilozu, arabinozu).

Teoretski prinos etanola iz 100 kg fermentisane glukoze je 51,14 kg ili 64,80 l (sa stvaranjem 48,86 kg CO 2). U praksi je prinos alkohola 82-92% od teoretskog zbog utroška dijela supstrata za reprodukciju i rast kvasca i stvaranje nusproizvoda.

Sinteza etanola u ćeliji kvasca provodi se prema sljedećoj shemi:

Nusproizvodi alkoholne fermentacije su glicerin, viši (fuzelni) alkoholi, organske kiseline (sirćetna, pirogrožđana, mliječna, jantarna) i aldehidi. Tokom alkoholnog vrenja, šećer (glukoza) se troši na stvaranje različitih supstanci u sledeća količina: etanol - 46-47%, ugljen dioksid - 44-46%, biomasa kvasca - 1,8-4,0%, glicerol - 3-4%, viši alkoholi - 0,3-0,7%, organske kiseline - 0,2-1,0%, aldehidi - 0,1 -0,2%. Kada se kvasac više puta vraća u fermentaciju, potrošnja šećera za stvaranje biomase se smanjuje, a intenzitet fermentacije čak se neznatno povećava.

Formiranje glicerola tokom alkoholne fermentacije objašnjava se činjenicom da u periodu indukcije (prije stvaranja acetaldehida) dolazi do reakcije dismutacije između dva molekula fosfogliceraldehida pod djelovanjem enzima aldehid mutaze uz sudjelovanje molekula vode. U ovom slučaju, jedna molekula fosfogliceraldehida se reducira u fosfoglicerol, a druga se oksidira u 3-fosfoglicerinsku kiselinu. Fosfoglicerol ne učestvuje u daljim reakcijama i, nakon uklanjanja fosforne kiseline, nusproizvod je alkoholne fermentacije. 3-fosfoglicerinska kiselina prolazi kroz transformaciju duž EMT puta sa stvaranjem acetaldehida. Nakon pojave acetaldehida, počinje stacionarni period fermentacije, tokom kojeg se oksidacija fosfogliceraldehida u fosfoglicerinsku kiselinu odvija na složeniji način, uz dodatak anorganskog fosfata (EMP put). U tom smislu, uz etanol, tokom fermentacije uvijek nastaje određena količina glicerola.

Kada se acetaldehid veže sa bisulfitom, proces fermentacije je usmjeren na stvaranje glicerola:

C 6 H 12 O 6 ® CH 3 CHO + CO 2 + CH 2 OH-CHON-CH 2 OH.

U alkalnom okruženju, molekul acetaldehida ulazi u redoks reakciju sa drugom molekulom, stvarajući etanol i sirćetna kiselina. Istovremeno se akumulira glicerol. Ukupni proces se izražava sljedećom jednačinom:

2C 6 H 12 O 6 + H 2 O ® ® 2CH 2 OH-CHON-CH 2 OH + C 2 H 5 OH + CH 3 COOH + 2CO 2.

Ove tehnike se koriste za industrijsku proizvodnju glicerina.

Viši alkoholi nastaju iz aminokiselina (u manjoj mjeri iz keto kiselina) sadržanih u mediju fermentacije kao rezultat sekvencijalnih reakcija deaminacije aminokiselina, dekarboksilacije nastalih keto kiselina i redukcije aldehida.

Od viših alkohola prisutnih u kaši: propil (nastao iz treonina), izobutil (iz valina), amil (iz izoleucina) i izoamil (iz leucina).

Trenutno je u toku intenzivna potraga za netradicionalnim mikroorganizmima koji proizvode etanol sposobnim za fermentaciju širokog spektra supstrata s visokom produktivnošću etanola i povećanom otpornošću na etanol i visoke temperature. Zanimljive su bakterije koje sintetiziraju etanol. Na primjer, bakterije Zymomonas mobilis Razlikuju se od kvasca po intenzivnom metabolizmu: imaju visoku specifičnu stopu konverzije glukoze u etanol, daju veći prinos etanola (do 95% teoretski mogućeg) i tolerantniji su na alkohol. Ali ove bakterije su osjetljive na prisustvo inhibitora (furfural, fenoli) u hranljivim medijima i zahtijevaju da se proces fermentacije odvija u aseptičnim uvjetima.

Termofilne bakterije Clostridium thermocellum(optimalna temperatura rasta 68°C) su u stanju da direktno transformišu celulozu iz biljnih sirovina u etanol, ali sirovine moraju biti oslobođene od lignina. Još uvijek nije bilo moguće postići visok prinos alkohola direktnom konverzijom biljnog materijala.

Sojevi kvasca sposobni za fermentaciju pentoznih šećera ( Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehata). Prinos etanola pri fermentaciji 100 kg ksiloze dostiže 35-47 litara.

U domaćoj praksi, proizvodnja etanola iz sirovina koje sadrže škrob koristi se kvasac Saccharomyces cerevisiae, sa optimalnom temperaturom fermentacije od 29-30°C.

Enzimska saharifikacija skroba

Tradicionalni proizvođači etanola nisu sposobni razgraditi polisaharide, pa se pri proizvodnji sladovine sirovine koje sadrže škrob moraju prokuhati i saharificirati. Skrob većine biljaka sadrži 20-25% amiloze i 80-75% amilopektina. U biljnim ćelijama skrob se nalazi u obliku zrna (granula), čija se veličina kreće od 1 do 120 mikrona (krompirov skrob ima zrnca veličine 40-50 mikrona, zrna škroba - 10-15 mikrona). Škrob, amiloza i amilopektin su netopivi u hladnom vodom, alkohol, etar. Amiloza se lako otapa u toploj vodi, amilopektin - kada se zagrije pod pritiskom. Mrežna struktura molekula amilopektina uzrokuje bubrenje granula škroba bez njihovog rastvaranja (sekundarne veze su oslabljene hidratacijom). Na određenoj temperaturi granule popuštaju, veze između pojedinih strukturnih elemenata se prekidaju, a integritet granula se narušava. Istovremeno, viskoznost otopine naglo raste - dolazi do želatinizacije škroba. Pastu karakterizira nasumičan raspored molekula i gubitak kristalne strukture. Na temperaturi od 120-130°C, pasta postaje lako pokretljiva. Najpotpunije otapanje amilopektina se dešava u pšeničnom skrobu na 136–141°C, iu skrobu krompira na 132°C.

Škrob otopljen tokom kuvanja žitarica ili krompira hidrolizira se (saharificira) amilolitičkim enzimima zrnastog slada ili kultura mikroorganizama, uglavnom filamentoznih gljivica i bakterija. Od biljnog materijala, najbogatije amilolitičkim enzimima je proklijalo zrno žitarica, zvano slad. Trenutno, alkoholna industrija široko koristi enzimske preparate na bazi kultura filamentoznih gljivica (ili bakterija roda Bacillus), koji imaju niz prednosti u odnosu na slad. Na njima se uzgajaju kulture filamentoznih gljiva pšenične mekinje ili kukuruzno brašno, dok je za dobijanje slada potrebno kvalitetno zrno. Strani mikroorganizmi se unose u sladovinu u velikim količinama sa sladom, što negativno utječe na prinos etanola. Duboke kulture gljiva uzgajaju se u sterilnim uvjetima, ne kontaminiraju sladovinu stranim mikroorganizmima. Uzgoj površinske kulture gljiva odvija se mnogo brže (1,5-2,0 dana) od klijanja zrna (9-10 dana). Gljive formiraju kompleks enzima koji dublje hidroliziraju škrob i također razgrađuju hemicelulozu na monosaharide, što povećava prinos etanola iz sirovina.

Različiti enzimi su uključeni u proces saharifikacije sirovina koje sadrže škrob. Amilaze su od najvećeg proizvodnog značaja. α- i β-amilaze kataliziraju cijepanje samo α-1,4-glukozidnih veza. Pod dejstvom α-amilaze, veze se nasumično prekidaju, ali pretežno unutar lanaca. Kao rezultat, uglavnom nastaju dekstrini, mala količina maltoze i oligosaharida. Na osnovu prirode svog djelovanja, α-amilaza se naziva endogena ili dekstrinogena amilaza.

Djelovanje β-amilaze usmjereno je na terminalne (vanjske) veze u škrobu, te se uzastopno, počevši od nereducirajućih krajeva lanaca, odcjepljuju dva ostatka glukoze (maltoza). β-amilaza ne može zaobići mjesta grananja u makromolekuli škroba, tako da se hidroliza zaustavlja na pretposljednjoj α-1,4-glukozidnoj vezi i dekstrini visoke molekularne težine ostaju tokom hidrolize amilopektina. Amiloza se gotovo u potpunosti pretvara β-amilazom u maltozu, amilopektin - samo 50-55%.

Kao rezultat kombinovanog djelovanja α- i β-amilaze, nastaje mješavina saharida, koja se sastoji od maltoze, male količine glukoze i dekstrina male molekulske težine, u kojoj su sve α-1,6-glukozidne veze škroba su koncentrisani.

Bakterije i mikroskopske gljive nemaju β-amilazu, ali sadrže aktivnu α-amilazu, koja se razlikuje po sastavu aminokiselina u proteinu i specifičnosti njegovog djelovanja. Konkretno, kada se katalizira α-amilazom mikroskopskih gljiva, stvaraju se velike količine glukoze i maltoze. Među bakterijskim amilazama postoje i saharogene i dekstrinogene. Prvi hidroliziraju škrob za 60% ili više, a drugi za 30-40%. α-amilaze mikrobnog porijekla, poput α- i β-amilaze slada, ne napadaju α-1,6-glukozidne veze.

Mikroskopske gljive sadrže glukoamilazu, koja katalizuje cijepanje α-1,4- i α-1,6-glukozidnih veza u škrobu. Tokom katalize ovim enzimom, ostaci glukoze se sekvencijalno cijepaju sa nereducirajućih krajeva amiloze i amilopektina. Molekul vode se vezuje na mestu gde su veze prekinute, tako da je teoretski prinos glukoze tokom procesa hidrolize 111,11% težine skroba.

Postoje tri moguća načina interakcije između enzima i supstrata (koji sadrže veliki broj lanaca): višelančani, jednolančani i kombinovani.

Prema višelančanoj metodi, molekul enzima nasumično napada jedan od polisaharidnih lanaca, odvajajući od njega kariku, a zatim nasumično napada i sljedeće lance, uključujući, moguće, i onaj koji je ranije napadnut. Dakle, tokom postojanja kompleksa enzim-supstrat, javlja se samo jedan katalitički čin.

U metodi jednog lanca, molekul enzima, napadajući jedan od polisaharidnih lanaca nasumičnim redoslijedom, uzastopno cijepa karike s njega sve dok se lanac potpuno ne razdvoji. Tokom postojanja kompleksa enzim-supstrat, sve veze dostupne enzimu se hidroliziraju.

Kombinovana metoda ili metoda višestrukog napada je da se tokom postojanja kompleksa enzim-supstrat hidrolizira nekoliko veza. U ovom slučaju, nakon cijepanja jedne karike, enzim se ne odbija, već se zadržava. Napad se događa korištenjem naizmjeničnih jedno- i višelančanih metoda.

Istraživanja su pokazala da α- i β-amilaze provode hidrolizu metodom višestrukog napada (metoda s više lanaca karakteristična je za bakterijsku α-amilazu).

U domaćim destilerijama za saharizaciju sirovog škroba koristi se sirovi (nesušeni) slad u obliku sladovanog mlijeka i enzimskih preparata (glukavamorin, amilorizin, amilosubtilin). raznim nivoima aktivnost ili mješavina sladnog mlijeka i enzimskog preparata.

Tehnologija proizvodnje slada uključuje sljedeće glavne procese: natapanje sirovina za postizanje sadržaja vlage od 38–40%; klijanje zrna 10 dana u pneumatskoj sladari u sloju debljine 0,5-0,8 m; mljevenje slada u drobilicama s diskom ili čekićem; dezinfekcija slada formaldehidom ili rastvorom izbeljivača i priprema sladnog mleka. Sladno mleko se dobija mešanjem usitnjenog slada sa vodom (4-5 litara vode na 1 kg slada).

Slad napravljen od različitih žitarica sadrži različite količine svakog amilolitičkog enzima. Na primjer, ječmeni slad ima visoku α- i β-amilolitičku aktivnost, a proseni slad ima jaku dekstrinolitičku aktivnost. Najčešće se priprema mješavina od tri vrste slada: ječmenog (50%), prosa (25%) i zobi (25%). Zabranjeno je korišćenje slada iz jednog useva u proizvodnji alkohola iz istog useva.

UPOTREBA MULTIENZIMSKOG KOMPLEKSA ENZIMSKIH PREPARATA DOO "RUSFERMENT" O RAZLIČITIM SHEMAMA VODNO-TERMIČKE OBRADE ZITNIH SIROVINA TOKOM PROIZVODNJE ALKOHOLA

Kompanija DOO "RUSFERMENT" ima širok spektar enzimskih preparata širok raspon akcije. Imajući takav asortiman, moguće je odabrati višeenzimski kompleks lijekova koji vam omogućava da hidrolizirate i škrobni dio zrna i neškrobne polisaharide i proteine.

Glavna komponenta žitarica koja se koristi za proizvodnju alkohola je skrob. Ovaj polisaharid (α-1,4-glukan) ima visoku molekularnu težinu i sastoji se od 10.000-100.000 ostataka glukoze povezanih hemijskim α-glukozidnim vezama u dugačke lance. Škrob se sastoji od linearne amiloze (čisti α-1,4-glukan) i razgranatog amilopektina (α-1,4-glukan koji sadrži 5-6% α-1,6-veza), a omjer između njih varira ovisno o vrsti zrna IN biljna ćelijaškrob je u obliku škrobnih zrnaca, koji su okruženi omotačem teško hidrolizirajućih neškrobnih polisaharida - celuloze, ksilana (pentozana) i beta-glukana.

Tokom toplotne obrade zrna vode, glavni deo skroba prelazi u rastvor, pa se kao rezultat toga viskozitet povećava za nekoliko redova veličine (efekat želatinizacije), pri čemu deo skroba ostaje u izvornom stanju. jer neškrobni polisaharidi (NSP) formiraju prostornu mrežu oko škroba zrna i sprečavaju ga da uđe u rastvor.

Razgradnja škroba do glukoze pomoću enzima može se podijeliti u 3 faze. U prvoj fazi, zrna škroba nabubre i molekul polimera se otapa.

U drugoj fazi, enzim alfa-amilaza razgrađuje škrob kako bi se formirali dekstrini (oligosaharidi čija je molekulska težina manja od originalnog škroba).

U trećoj fazi, dekstrini se pod djelovanjem enzima glukoamilaze pretvaraju u glukozu i maltozu, koje kvasac zatim fermentira u alkohol.

Po mehanizmu djelovanja na supstrat (škrob), alfa-amilaze spadaju u klasu endopolimeraza, vrše haotičnu hidrolizu unutrašnjih veza u molekuli polimera škroba.

Glukoamilaze, naprotiv, pripadaju klasi egzopolimeraza; one napadaju supstrat s kraja, sekvencijalno cijepajući ostatke glukoze (i maltoze) od većih molekula.

Glukoamilaze pokazuju najveću aktivnost prema malim molekulima maltodekstrina koji sadrže 5-50 ostataka glukoze, a vrlo malu aktivnost prema izvornom škrobu, pa se glukoamilaze koriste nakon djelomične destrukcije škroba pod djelovanjem alfa-amilaze.

U različitim vrstama žitarica sadržaj i sastav skrobnog dijela i neskrobnih polisaharida (NSP) može varirati (tabela 1). NPS, uprkos svojoj sličnosti sa škrobom, ne može se hidrolizirati amilazama. Stoga je za povećanje stepena iskorišćenja skroba i, naravno, povećanje prinosa alkohola preporučljivo koristiti enzimske preparate koji hidrolizuju NPS.

Za hidrolizu pentozana koriste se preparati koji sadrže enzim ksilanazu, za hidrolizu beta-glukana - β-glukonaza, a za hidrolizu celuloze - celulaza. Najpoželjnije je koristiti enzimske preparate koji sadrže kompleks enzima koji hidroliziraju NPS.

Tabela 1. Sadržaj glavnih sastojaka ugljikohidrata u sirovinama žitarica (%).

Kukuruz	Škrob	Pentosans	β-glukan	Celuloza	Sahara	Protein	Debeo
Pšenica	55-65	6,0-6,6	0,7-0,8	2,5-3,0		9-15 (do 25)	1,7-2,3
Raž	52-60	8,7-10,0	2,2-2,8		2,2-2,8	10-12
Ječam	53-57		5,7-7,0
Kukuruz	60-65					8-12	4,0-8,0

Poznato je i to da tokom vodeno-toplinske obrade zrnastih sirovina dio proteina prelazi u otopinu, a najveći dio formira stabilne gelove sa neškrobnim polisaharidima. IN U poslednje vreme povećan je udio proteina u zrnu – u pšenici dostiže 25%, a u raži i do 15%. Neotopljeni protein je izvor infekcije i taloži se na opremi iu obliku naslaga ugljika na kontrolnoj jedinici. Stoga je hidroliza proteina zrna proizvodna potreba, što omogućava:

Sačuvajte aminokiseline
- smanjiti pjenjenje
- olakšati čišćenje opreme
- povećati pristup amilolitičkih enzima supstratu
- povećati prinos alkohola

Danas proizvođači sve više koriste proteolitičke enzime i učinak njihove upotrebe je očigledan.

Tako smo, na osnovu datih podataka o sastavu zrna i enzimskih preparata koji se koriste sa širokim spektrom delovanja naše kompanije, razvili tabele za optimizaciju primene enzimskih preparata za razne šeme termička obrada vode.

Slični članci: