Wykład 5
Poprzez wymianę acyli można uzyskać wzrost ptk topnienia tłuszczu, a co za tym idzie, przekształcać formę płynną w stałą. Wiąże się to z otrzymaniem na drodze enzymatycznej stałego tłuszczu z olejów roślinnych bez ryzyka powstawania szkodliwych dla zdrowia izomerów trans, które mogą występować w margarynach otrzymanych metodą chemicznego uwodornienia.
Przedstawione rodzaje modyfikacji enzymatycznych mogą być przeprowadzane następczo w procesach technologicznych. Pozwala to na wykorzystanie różnorodnej specyficzności lipaz i uzyskanie całej gamy produktów o pożądanych cechach funkcjonalnych.
Przykład: Przy otrzymywaniu tzw. strukturyzowanych triacylogliceroli w pierwszym etapie stosuje się etanolizę z pozycji1.3,a w drugim estryfikację tych pozycji kwasem oleinowym. Wykorzystuje się 1,3 specyficzne lipazy z Rhizopus delemar i Rhizopus miehei.
Etanoliza
2 C2H5OH
CH2 – O – palmitoil CH2 - OH
Lipaza 1,3
CH – O – palmitoil CH – O – palmitoil + 2 C2H5 – O – palmitoil
CH2 – O – palmitoil CH2 – OH
Estryfikacja
CH2 – OH CH2 – O – oleinoil
- H2O
CH – O – palmitoil + Kw. oleinolwy CH – O – palmitoil
CH2 - OH CH2 – O – oleinoil
Modyfikacje enzymatyczne tłuszczu mają miejsce także podczas licznych stosowanych w przemyśle spoż. procesów fermentacyjnych. Drobnoustroje wykorzystywane w tych procesach charakteryzują się bardzo zróżnicowaną aktywnością lipolityczną, esterazową oraz acylo i arylotransferazową.
Hydroliza tłuszczu, w połączeniu z częstą podczas fermentacji produkcją etanolu, jest podstawą tworzenia estrów o aromacie owocowym (etanol + kw. tłuszczowe C4 – C8), a w połączeniu z obecnością zw. fenolowych, estrów o aromacie kwiatowym (fenol + kw. tłuszczowe C4 – C8). Zawartość i rodzaj wolnych kw. tłuszczowych decyduje o zapachu i smaku ( C4 – C6 – ostre; C12 – C14 – słodki) wielu produktów.
Podczas fermentacji końcowa zawartość kw. tłuszczowych i estrów zależy zarówno od hydrolizy triacylogliceroli jak i od syntezy estrów i ich hydrolizy. (rys. D,poniżej)
ACYLOTRANSFERAZY
ARYLOTRANSFERAZY
LIPAZY
ESTERAZY
ALKOHOL
FERMENTACJA
TRI- DI- MONOGLICERDY + KW. TŁUSZCZOWE
Glicerol
LIPAZY, ESTERAZY
TRIACYLOGICEROLE
ESTRY
Rys. D Składniki smakowo-zapachowe tworzone podczas metabolizmu tłuszczu (FERMENTACJE)
Generalnie acylotransferazy są odpowiedzialne za syntezę estrów, podczas gdy lipazy i esterazy katalizują hydrolizę glicerydów i estrów.
· Lipazy są def. jako enzymy, które katalizują hydrolizę nierozpuszczalnych w wodzie triacylogliceroli (zarówno długo- jaki i krótkołańcuchowych kw. tłuszczowych) w ukł. zemulgowanym.
· Esterazy są def. jako enzymy, które hydrolizują rozpuszczalne w wodzie substraty, takie jak glicerydy krótkołańcuchowych kw. tłuszczowych i alifatyczne estry (hydroliza przebiega w roz. wodnych)
Zarówno lipazy, jak i esterazy mogą syntetyzować estry w określonych warunkach.
UTLENIANIE KW. TŁUSZCZOWYCH
Lipooksygenaza [EC 1.13.11.12] jest kluczowym enzymem w metabolizmie wielonienasyconych kw. tłuszczowych. Aktywność stwierdzono nie tylko u roślin (najwyższa: soja, fasola, zielony groszek; niższa: pomidory, ziemniaki), ale także w komórkach ssaków. Katalizuje utlenianie wielonienasyconych kw. tłuszczowych (w obecności tlenu) z wytworzeniem hydronadtlenku i przekształceniem sąsiadującego wiązania cis w wiązanie trans. U roślin wodorotlenki kw. tłuszczowych są dalej metabolizowane przez kolejne enzymy w tzw. CYKLU LIPOOKSYGENAZOWYM (RYS. E,F).
KW. LINOLENOWY
Octan cis – 3 – HEKSANYLU
Trans – 2 – HEKSEN – 1 - OL
Cis – 3 – HEKSEN – 1 – OL
Trans – 2 – HEKSENAL
Dehydrogenaza alkoholowa
izomeraza
Cis – 3 - HEKSENAL
liaza
13 – WODOROTLENEK KW. LINOLENOWEGO
lipooksygenaza
acylotransferaza
dehydrogenaza alkoholowa
Rys. E. Enzymatyczne utlenianie kw. linolenowego
Pozytywnym efektem działania lipooksygenazy jest produkcja aromatycznych, lotnych składników nadających charakterystyczny zapach owocom i warzywom.
Aspekty negatywne to:
· Niepożądane zapachy jarzyn (trawiasty, sianowywaty, stęchły, utleniony)
· Tworzenie wolnych rodników (produkt pośredni reakcji), które mogą uszkadzać barwniki (chlorofil, karoten, ksantofil) lub witaminy, wpływając na zmianę barwy i obniżenie wartości żywieniowej lub wchodzić w interakcje z podstawowymi aminokwasami wpływając na jakość i funkcjonalność znajdujących się w środowisku białek
· Wytwarzanie szkodliwych, z ptk widzenia żywieniowego izomerów trans.
Hydroliza tłuszczów złożonych
Katalizują ją fosfolipazy, enzymy o specyficzności pozycyjnej. Wyróżniamy:
· Fosfolipazę A1 [EC 3.1.1.32] i fosfolipazę A2 [EC 3.1.1.4]
· Fosfolipazę B, nazwa poprawna lizofosfolipaza [EC 3.1.1.5]
· Fosfolipazę C [EC 3.1.4.3]
· Fosfolipazę D [EC 3.1.4.4]
Dwie ostatnie hydrolizują estry kw. fosforowego, pozostałe estry kw. tłuszczowych.
B
A
CH2 – O CO – R1
OH
CH – O CO – R2
D
C
O
CH2 – O P – O – X
Rys. G Hydroliza tłuszczów złożonych
Aktywność wobec fosfolipidów (wiązanie estrowe pomiędzy resztami –OH glicerolu a kw. tłuszczowymi) wykazuje też kilka oczyszczonych lipaz z komórek Staphylococus hyicus, Rhizopus arrhizus, Mucor javanicus, Aspergillus Niger, Penicillium cycopium oraz z wątroby ludzkiej.
Fosfolipidy i produkty ich częściowej hydrolizy, podobnie jak produkty hydrolizy triacylogliceroli, wykorzystywane są w przem. Spoż.
Kwas fosfatydowy (1,2 diacylofosfoglicerol), powstający podczas działania fosfolipazy D, może służyć jako metabolit pośredni do syntezy innych fosfoglicerydów.
WYKORZYSTANIE ENZYMÓW W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM (XII)
Enzymy stosowane w przemyśle spoż. należą do klasy: hydrolaz, transferaz, liaz, izomeraz, oksydoreduktaz. Są to enzymy przy udziale których przeprowadza się celowe modyfikacje składników żywności.
Hydrolazy
Jest to dominująca klasa enzymów w przemyśle spoż. Wykorzystywane są do degradacji różnych polimerów, często w celu otrzymania określonego produktu (zw.), modyfikacji tekstury lub uzyskania określonych właściwości funkcjonalnych. Stosowane są enzymy hydrolizujące wiązania (tab. 1)
Tab. 1.Przykłady hydrolaz stosowanych i ich wykorzystanie w przemyśle spoż.
Enzymy z klasy hydrolaz znalazły zastosowanie praktyczne we wszystkich gałęziach przem spoż., co wiąże się z faktem, że przy przetwarzaniu wszystkich wykorzystywanych w nim surowców niezbędne są ich modyfikacje związane z hydrolizą enzymatyczną.
Transferazy
Do stosowanych w przem. spoż. transferaz należą:
Liazy
Liazą wykorzystywaną w piwowarstwie jest dekarboksylaza acetomleczanowa. Inne liazy, często w formie immobilizowanej stosowane sa do produkcji aminokwasów i kw. org, np. przy udziale amoniakolizy asparaginianowej otrzymuje się asparaginian z fumaranu amonowego.
Izomerazy
Stos. w przem. izomerazą jest izomeraza ksylozowa (w nazewnictwie potocznym glukozowa, z reakcji stosowania jej do izomeryzacji glukozy do fruktozy).
Oksydoreduktazy
Enz. z klasy oksydoreduktaz podobnie jak ligazy, nigdy nie pełnią znaczącej roli jako celowo dodawane katalizatory w procesach przemysłu spoż. Katalaza wykorzystywana była do sterylizacji mleka nadtl. wodoru.
Przykłady oksydoreduktaz stos. w przem spoż.
1. Oksydoreduktaza glukozowa w połączeniu z katalazą – zastosowanie: używana jest do usuwania tlenu z napojów gaz. i mleka w proszku oraz glukozy z jaj
2. Oksydoreduktaza piranozowa – zastosowanie: stos. do prod. D-fruktozy, mannitolu i sorbitolu, odpowiednio z glukozy, ksylozy i sorbozy
3. Lipooksygenza (pochodząca z soli) – zastosowanie: używana do wybielania mąki i poprawy właściwości związanych z formowaniem ciasta i wypiekiem
ZASTOSOWANIE ENZYMÓW W WYBRANYCH GAŁĘZIACH PRZEMYSŁU SPOŻYWCZEGO (XIII)
Przemysł piwowarski
Proteinazy i egzopeptydazy znajdujące się w słodzie hydrolizują białka zwiększając zawartość rozpuszczalnych związków (peptydów i aminokwasów) oznaczanych jako azot a-aminowy w brzeczce. Jego zawartość w granicach 140-180 mg/l brzeczki jest niezbędna do prawidłowej fermentacji (pożywka dla drożdży), a duże, rozpuszczalne peptydy są ważnym składnikiem piany tworzonej podczas nalewania gotowego produktu.
Jeżeli do produkcji piwa używany jest jęczmień niesłodowany niezbędna jest sumplementacja preparatami egzogennych proteinaz.
Inną ważną funkcją enzymów proteolitycznych jest zapobieganie zmętnieniu piwa, po jego schłodzeniu poprzez hydrolizę białek tworzących kompleksy z cukrami i taniną.
Komlpeksy te, rozpuszczalne w świeżym produkcie tracą rozpuszczalność po ochłodzeniu, ale nie ulegają precypitacji (zmętnienie). W celu ich degradacji przemysł piwowarski tradycyjnie stosuje proteinazy pochodzenia roślinnego głównie papainę, czasem bromelainę.
Piwo jest napojem otrzymywanym w wyniku fermentacji alkoholowej cukrów znajdujących się w ziarniakach. Większość węglowodanów ziarna występuje w postaci skrobi, która nie może być fermentowana przez drożdze piwne. Musi być przekształcona do cukrów fermentujących przez odpowiednie enzymy. Naturalnym źródłem enzymów hydrolizujących skrobię jest słód. Pobudzenie formy spoczynkowej do wzrostu (proces kiełkowania jęczmienia) wiąże się z uruchomieniem syntezy enz. pozwalających wykorzystać materiał zapasowy (skrobia) do wyzwolenia energii.
Do enzymów biorących w tym udział należą m.in.:
· Fitaza – hydrolizująca fitynę ziarna (uwolnione fosforany i składniki mineralne są wykorzystywane przez drożdże w czasie fermentacji)
· Liczne enz. określone jako b-glukanazy lub hemicelulazy, degradujące hemicelulozę ścian komórkowych endospermy (1-3 i 1-4-b-Dglukon)
· Proteinazy
Powstający słód charakteryzuje się mniej zwartą strukturą niż oryginalne ziarno. Hydroliza skrobi jest bardzo ograniczona. Syntetyzowana na tym etapie a-amylaza hydrolizuje skrobię w niewielkim stopniu, b -amylaza nie działa na natywne granule skrobi w słodowanym ziarnie.
Te dwa ostatnie enz. szybko hydrolizują skrobię po jej żelifikacji w 60⁰C.
Parametry ogrzewania w procesie warzenia piwa decydują o aktywności enz., b-amylaza jest prawie całkowicie inaktywowana w 65⁰C po 30 min., a-amylaza ulega deaktywacji w mniejszym stopniu i wykazuje jeszcze aktywność pozwalającą hydrolizować skrobię do rozpuszczalnych dekstryn (nie powstaje już dużo więcej cukrów fermentujących)
Sterowanie parametrami ogrzewania
- pozwala osiągnąć różny stopień scukrzenia skrobi w brzeczce
- i możliwość produkcji piwa o różnym stosunku alkoholu do niefermentujących dekstryn
W typowym piwie ok 1/3 ekstraktu brzeczki to rozpuszczalne dekstryny uwolnione ze skrobi (zawierają wiązania 1-6). Dekstryny nie są fermentowane przez drożdże, stanowią 1/3 kalorii zawartych w końcowym produkcie.
W celu większego scukrzenia skrobi stosuje się w specjalnych typach piwa, jako dodatek do brzeczki podczas fermentacji b-amylazę z jęczmieniem lub handlowy preparat a-amylazy z Aspergillus oryzae (a-amylaza z jęczmienia ma małą aktywność przy pH fermentacji)
Przy produkcji piwa o wysokiej zawartości alkoholu, z którego przez rozcieńczenie otrzymuje się piwo o obniżonej kaloryczności do brzeczki dodaje się glukoamylazę z Aspergillus niger.
Preparat hydrolizuje wiązania 1-4 i 1-6 w dekstrynach. W optymalnych warunkach (60⁰C, pH 4 - 4,5) 95% dekstryn zostaje przekształconych do glukozy, która prawie całkowicie ulega fermentacji.
Preparat enzymu nie może wykazywać nadmiernej aktywności kwasowej proteinazy ani aktywności b-galaktozydazy hydrolizującej galaktozylodiglicerydy, aby piwozachowało zdolność tworz...
beeola