Ферменты – что это такое и где применяются в пищевой промышленности

Что такое ферменты? Ферменты — это белки, которые действуют как катализаторы во всех живых организмах: микроорганизмах, растениях, животных и человеке. Катализаторы – это соединения, которые увеличивают скорость химических реакций в биологических системах. Очень небольшие количества ферментов могут увеличить скорость реакций до десяти миллионов раз. Ферменты действуют в ограниченном наборе условий, таких как температура и pH (кислотность), и их можно ингибировать различными способами.

Ферменты классифицируются по типу реакции, которую они катализируют, и по веществу (называемому субстратом), на которое они действуют. Суффикс аза обычно добавляется к названию основного субстрата, на который действует фермент. Например, лактаза действует на лактозу, протеазы на белки и липазы на липиды. Кроме того, многие давно используемые ферменты имеют общие названия, такие как папаин, от папайи, который используется для смягчения мяса. В нашем интернет-магазине есть в продаже молокосвёртывающие ферменты.

История использования ферментов в пищевой промышленности

На протяжении нескольких тысячелетий люди использовали естественные микроорганизмы — бактерии, дрожжи и плесень — и ферменты, которые они производят, для приготовления таких продуктов, как хлеб, сыр, пиво и вино. Так, фермент, используемый при производстве хлеба, а именно амилаза, используется для расщепления муки на растворимые сахара, которые затем превращаются дрожжами в спирт и углекислый газ. Это то, что заставляет тесто для хлеба подниматься.

Сычужные ферменты являются примером смеси натуральных ферментов из желудка телят или других пищевых животных и веками использовались в сыроварении. Сычужный фермент содержит протеазы, которые коагулируют молоко, заставляя его разделяться на твердые вещества (творог) и жидкости (сыворотка). С другой стороны, ферменты, полученные из дрожжей, веками использовались для ферментации виноградного сока для производства вина.

В настоящее время ферменты находят все больше и больше применений — выпечка, производство сыра, переработка крахмала и производство фруктовых соков и других напитков, — где они улучшают консистенцию, внешний вид и ценность, питательность и могут придавать желаемые вкусы и ароматы. Используемые в настоящее время пищевые ферменты иногда получают из животных и растений (например, амилазу, расщепляющую крахмал, получают из ростков ячменя), но большинство из них получают из полезных микроорганизмов.

Современное производство пищевых ферментов

В 20 веке ферменты начали выделять из живых клеток, что привело к их крупномасштабному коммерческому производству и более широкому использованию в пищевой промышленности. Сегодня микроорганизмы являются основным источником коммерческих ферментов. Производители ферментов оптимизировали микроорганизмы для производства ферментов с помощью естественного отбора и традиционных методов селекции.

Прямая генетическая модификация (биотехнология) включает наиболее точные методы оптимизации микроорганизмов для производства ферментов. Эти методы используются для получения высокопродуктивных организмов-продуцентов. Биотехнология также предоставляет инструменты для переноса генетической последовательности от растения, животного или микроорганизма, производство которых в коммерческих масштабах не подходит, в микроорганизм, имеет безопасную историю производства ферментов для пищевых целей.

Даже если производящий организм генетически модифицирован, фермент, который он производит, таковым не является. Ферменты, произведенные с помощью биотехнологии, идентичны тем, которые встречаются в природе. Кроме того, ферменты, вырабатываемые микроорганизмами, экстрагируются и очищаются перед их использованием в производстве продуктов питания. Генетически модифицированные микроорганизмы полезны с коммерческой точки зрения, но в природе они не выживут.

При производстве продуктов питания ферменты имеют ряд преимуществ:

• во многих производственных процессах они выгодно заменяют синтетические химические продукты, что позволяет добиться реального прогресса в сокращении отходов, образующихся в этих процессах, благодаря биоразлагаемости и меньшему потреблению энергии;
• поскольку они обладают более специфическим действием, чем синтетические химические вещества, процессы, в которых они используются, имеют меньше побочных реакций и побочных продуктов, а также производят продукты более высокого качества при снижении вероятности загрязнения;
• они позволяют осуществлять определенные процессы, которые без них были бы невозможны. Таким образом, именно фермент пектиназа позволяет производить совершенно чистый концентрат яблочного сока.

Когда ферменты производятся из микроорганизмов (основные типы включают виды Bacillus Aspergillus, Streptomyces и Kluyveromyces), их культивируют путем ферментации в больших чанах емкостью до 150 000 литров, где температура, подача питательных веществ и воздухозаборники регулируются для обеспечения оптимального ферментативного действия. Как и в других точках пищевой цепи, здесь соблюдаются очень строгие правила гигиены. После завершения процесса в резервуаре для брожения находится бульон с ферментами, питательными веществами и микробами, которые затем проходят через серию фильтров для удаления примесей и извлечения фермента.

Производство продуктов при помощи ферментов

С начала 1980-х годов производители ферментов использовали генную инженерию для повышения производительности и качества продукции, а также для разработки новых продуктов. Это имеет явные преимущества как для промышленности, так и для потребителей, поскольку улучшение производства ферментов приводит к улучшению процессов и повышению качества продукции. 

В настоящее время современная биотехнология позволяет добиться ряда успехов в технике производства ферментов:

• Повышение производительности и прибыльности текущих процессов. Поскольку ферменты производятся более эффективно, количество сырья, энергии и воды, необходимых для производства продукта, можно сократить вдвое за счет перехода от обычного микробного штамма к генетически модифицированному штамму.
• Производители могут лучше адаптировать свои ферменты к потребностям клиентов в продуктах с определенными свойствами.
• Производители могут поставлять ферменты, которые в противном случае не могли бы производиться в достаточных количествах, предоставляя потребителю доступ к большему разнообразию продуктов. Примером этого является продукт амилазы, который помогает хлебу дольше оставаться свежим.

Краткая история ферментов

• 2000 г. до н.э. – египтяне и шумеры разработали ферментацию и использовали ее для производства пива, хлеба и сыра.
• 800 г. до н.э. – фермент химозин используется для производства сыра.
• 1878 г. н.э. – определены строительные блоки дрожжевых клеток, вызывающие брожение. Термин «фермент» используется впервые.
• 1926 г. – впервые показано, что ферменты являются белками.
• 1980-е годы – разработаны ферментные препараты для улучшения усвояемости и доступности питательных веществ в некоторых кормах для животных.
• 1982 г. – первое применение продукта генной инженерии, альфа-амилазы.
• 1988 – рекомбинантный химозин одобрен и представлен в Швейцарии. Это одно из первых утверждений генно-инженерного продукта для пищевых продуктов.
• 1990 – утверждены две генно-инженерные добавки для обработки пищевых продуктов. Это фермент, используемый при производстве сыра в США и пекарских дрожжей, используемых в Великобритании.

Возможность аллергии от ферментов

На сегодняшний день не было зарегистрировано ни одной аллергии из-за потребления остатков ферментов. На самом деле уровни остаточных ферментов, появляющихся в пищевых продуктах, настолько низки, что маловероятно, что они вызовут аллергию. Как и все белки, ферменты могут вызывать аллергические реакции у людей, сенсибилизированных воздействием больших количеств. Именно по этой причине производители принимают различные защитные меры и некоторые ферменты выпускаются в виде жидкостей, гранул, капсул или иммобилизованных препаратов, которые ограничивают воздействие на персонал.

Какие продукты содержат особенно большое количество ферментов?

Практически ничто в производстве продуктов питания не обходится без ферментов: они содержатся почти во всех продуктах переработки. Ферменты позволяют молоку сворачиваться в сыр, поднимать опару или придавать какао и кофейным зернам их типичный вкус. Они также используются в текстильном и бумажном производстве, в экологических технологиях или в качестве добавки к моющим средствам. Около 80 процентов всех ферментов, используемых в пищевой промышленности, производятся с помощью генной инженерии. Большинство ферментов используются в качестве так называемых технических вспомогательных веществ и поэтому не требуют одобрения или указания в списке ингредиентов. Исключением являются ферменты, которые также влияют на конечный продукт, например, инвертаза, содержащаяся в мороженом или шоколаде, или лизоцим в сыре.

Ананасы, бананы, ростки фасоли, папайя, манго, виноград, дыни, яблоки, киви, авокадо, имбирь и квашеная капуста естественным образом богаты ферментами. Говорят, что бромелайн в ананасе и протеазы в папайе оказывают положительное влияние на здоровье.