Коллоидно-химические свойства ферментативных белковых гидролизатов и области их применения

Безотходная переработка морского сырья является важным элементом рационального использования природных ресурсов. Увеличившийся за последние годы вылов некондиционной рыбы, а также образующиеся в больших количествах отходы рыбоперерабатывающей промышленности могут служить источником белков, богатых незаменимыми аминокислотами.

Мировое производство и потребление рыбы растет с каждым годом.

По данным ФАО, 2014 вылов 161,9 млн т ( на 2,5% больше, чем в 2012-м)

Потребление рыбы увеличилось с 17,6 кг/чел. в 2007 году до 19,5 кг/ чел. в год в 2014-м.

Неполноценное использование отходов рыбоперерабатывающих производств является распространенной проблемой рыбной отрасли. Ежедневно в процессе переработки рыбных ресурсов производятся тонны отходов при производстве рыбного филе, фаршей, консервов и других видов рыбной продукции. Самой распространенной технологией для переработки отходов до сих пор остается производство кормовой рыбной муки, в то время, как большая часть отходов оказывается на свалках промышленного мусора

Всё то, что подлежит дальнейшей переработке, является сырьем. [8]. Состав такого сырья варьируется в зависимости от вида рыбы, из которого оно произведено, сезона и других факторов. В качестве сырья могут служить рыбные головы, части тканей рыбы, отделенные в ходе филетирования, кости, кожа, внутренние органы рыб. Головы и кости достаточно целесообразно перерабатывать по имеющейся технологии производства рыбной муки, в то время, как мягкие ткани и внутренние органы, содержащие ценные липидную и белковую фракции, остаются крайне недоиспользованными. Для эффективного использования сырья, фракции необходимо разделить, причем максимально сохраняя качество и выход обоих. Остановимся подробнее на этих недоиспользуемых элементах сырья, их составе и способах утилизации.

Традиционной технологией переработки отходов рыбоперерабатывающих производств с целью получения рыбного жира является переработка с использованием измельчения, нагревания, прессования и сепарации отделившегося рыбного жира. [4]. В целях комплексной переработки рыбных отходов, содержащих и белковую и липидную фракции, необходимо использовать технологию, позволяющую разделить и утилизировать обе фракции.

Традиционный вид обработки сырья в данном случае вызывает ряд нежелательных последствий вследствие легкой окисляемости и нестабильности жировой фракции и небольшого выхода белковой фракции. Для эффективной переработки сырья, содержащего как белковую так и липидную фракции применяется гидролиз, который позволяет получить на выходе как рыбный жир так и рыбный белковый гидролизат (РБГ).

Белковый гидролизат – продукт с высоким содержанием ценных биологически активных соединений: свободных аминокислот и полипептидов.

Гидролиз белков – разрушение структуры белка под действием кислот, щелочей или ферментов.

Первичная структура – связь между атомами С и N разных аминокислот

Вторичная структура – Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями.

Третичная структура - способ укладки полипептидной цепи в пространстве (фибриллярные вытянутые и глобулярные – эллипсообразные)

Четвертичная структура - Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. К ним относятся миоглобин — белок мышечной ткани, участвующий в связывании кислорода, ряд ферментов (лизоцим, пепсин, трипсин и т. д.). Однако некоторые белки построены из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых имеет третичную структуру. Для таких белков введено понятие четвертичной структуры, которая представляет собой организацию нескольких полипептидных цепей с третичной структурой в единую функциональную молекулу белка.

В общем виде гидролиз белка представляет собой расщепление белковой молекулы с разрушением C-N связи ее первичной структуры (рис. 1.1).

Этот процесс протекает под действием катализатора, в роли которого могут выступать кислоты и основания (в этом случае гидролиз называется химическим), или протеолитические ферменты (ферментативный гидролиз)

Химический гидролиз белка, в частности кислотный гидролиз с использованием НСl или H₂SO₄ в качестве катализатора, является широко распространенным способом получения гидролизатов. В зависимости от концентрации используемой кислоты и температуры гидролиза время процесса может изменяться от 3 до 24-х часов. Например, гидролиз в присутствии серной кислоты проводят в течение 3÷5 часов при температуре 100÷130 °С и давлении 2÷3 атмосферы; в присутствии соляной - в течение 5÷24 часов при температуре кипения раствора под небольшим давлением.

При действии кислоты достигается максимальная глубина расщепления белка и исключается возможность бактериального загрязнения гидролизата, что особенно важно в медицине.

Недостаток — при таких достаточно жестких условиях гидролиза происходит не только образование низкомолекулярных пептидов и свободных аминокислот, но и аммиака, что указывает на разрушение самих аминокислот. Так в ходе гидролиза происходит разрушение триптофана, треонина, серина, аспарагина и глутамина, а также разрушение разрушение витаминов.

Кроме того, при нейтрализации кислотных гидролизатов образуется большое количество побочных продуктов: хлоридов или сульфатов. Последние являются особенно токсичными для организма.

Щелочной способ редко используют для получения гидролизатов, поскольку при таком способе наблюдается рацемизация аминокислот (часть ά-аминокислот превращается в D-аминокислоты) и почти полное разрушение цистеина, лизина, цистина и аргинина. Также при щелочном гидролизе белков образуются токсичные для человека и животных аминокислотные остатки.

Кислотный и щелочной гидролиз имеют, кроме указанных, еще существенные ограничения, связанные с агрессивностью среды, что приводит к быстрой коррозии оборудования и вызывает необходимость соблюдения жестких требований техники безопасности. Таким образом, подобные технологии являются достаточно трудоемкими, химически вредным и экологически опасными, а сами гидролизаты нуждаются в последующей очистке с использованием сложной аппаратуры.

Ферментативный способ гидролиза является более предпочтительным по сравнению с химическими методами, т. к. ферменты обладают значительно более высокой специфичностью и эффективностью каталитического действия, а сам ферментативный гидролиз проводится в "мягких" условиях (при температуре 35÷50 °С, значениях pH, близких к нейтральному и атмосферном давлении), что способствует сохранению в готовом продукте (гидролизате) биологически активных веществ. В отличие от гидролизата, полученного химическим способом, аминокислоты в ферментативном гидролизате практически не разрушаются, не вступают в дополнительные реакции. Кроме того, ферментативный гидролиз разрушает связь белка с жиром, что позволяет легко отделить последний от исходного сырья и делает гидролизат стойким при хранении. Реакции, катализируемые ферментами, проходят без образования побочных продуктов. В процессе ферментативного гидролиза образуется сложная смесь продуктов распада белка, имеющих различную молекулярную массу.

Соотношение продуктов зависит от свойств применяемого фермента, используемого сырья и условий проведения процесса.

Технология ферментативного гидролиза белков

Для расщепления белков к субстрату, который представляет собой негидролизованное белоксодержащее сырье, добавляют очищенные ферментные препараты или измельченные пищеварительные органы рыб или теплокровных животных, содержащие протеолитические ферменты.

Если расщепление белка идет под действием гидролитических ферментов, содержащихся в самом субстрате, то процесс называют автопротеолизом (или автолизом)

В случае использования автопротеолиза сырье должно обладать достаточно активным комплексом протеолитических ферментов [89].

После непродолжительного гидролиза при повышенной температуре (до 65 °С) структура белковых веществ разрушается до крупных высокомолекулярных полипептидов. В случае низкой активности собственных ферментных систем сырья к субстрату добавляют микроорганизмы или ферментные препараты [89].

В качестве таких препаратов используют комплексы ферментов животного, растительного или микробного происхождения, например, культуру дрожжей Hansenula montovidec, бактериальные протеиназы, препараты протосубтилина, папаина, бромелина, трипсина и другие. Из ферментов микробного происхождения чаще всего используют бактериальные и грибные протеиназы [129]. Количество вносимого ферментного препарата зависит от его активности [57].

Продолжительность гидролиза зависит от вида сырья и составляет от 4 до 12 ч. Для ускорения процесса смесь необходимо перемешивать.

Гидролиз

Под воздействием комплекса протеолитических ферментов белок вначале разделяется на полипептиды. Разрушение структур белка происходит как последовательно, так и параллельно. Поэтому на начальной стадии протеолиза обнаруживается сложная смесь высоко- и низкомолекулярных продуктов (полипептиды и аминокислоты). С течением времени количество полипептидов уменьшается, а содержание аминокислот увеличивается. Однако добиться полного гидролиза белка до аминокислот практически не удается, так как активность ферментов снижается (за счет ингибирования образующимися аминокислотами, которые взаимодействуют с активными группировками ферментов, за счет температурной инактивации или в результате автолиза.

Схематично процесс ферментативного гидролиза, описанный выше, можно представить так [94]:

(1.2)

где – фермент; – субстрат; – фермент-субстратный комплекс; – константа скорости прямой реакции ; – константа скорости обратной реакции ; – константа скорости реакции ;

Гидролиз белка приводит к полному нарушению гистологической структуры сырья и изменению его внешнего вида — исходное сырье превращается в густую сметанообразную массу. В ходе гидролиза вода, удерживаемая белками в структуре тканей, переходит в свободное состояние, в ней растворяются продукты гидролиза белка, а также в виде эмульсий жир, высвобождающийся за счет разрушения жировой ткани и белково-липидных комплексов.

Под действием протеолитических ферментов в гидролизат превращается более 75 % исходного рыбного сырья, и только 25% его остаётся в виде негидролизованной массы, состоящей в основном из крупных костей.

Традиционная технологическая схема получения ферментативных белковых гидролизатов из гидробионтов включает в себя следующие основные стадии: измельчение сырья, ферментативный гидролиз белков, входящих в состав сырья, инактивация фермента, удаление балластных примесей (поверхностный слой) и нерасщепленных белков (осадок), очистка от взвешенных частиц (осветление раствора) и сушка полученного гидролизата. В качестве сырья для производства гидролизата может быть использовано рыбное сырье любой жирности, так как в ходе технологического процесса предусмотрено обезжиривание (сепарирование) жидкой части субстрата.

По сравнению с химическими технологиями ферментативный способ получения гидролизатов обладает существенными достоинствами, главными из которых являются: доступность и простота проведения, незначительная энергозатратность и экологическая безопасность.

Коллоидно-химические свойства ферментативных белковых гидролизатов и области их применения

Основными критериями для использования гидролизатов в различных областях промышленности являются их свойства (вязкость, растворимость, способность к эмульгированию, содержание микроэлементов, аминокислот, размер частиц и т.д.). Эти свойства во многом определяются видом сырья, которое подвергается гидролизу, видом используемого для этого фермента, условиями проведения процесса ферментативного гидролиза и степенью расщепления белковых молекул.

Общий азот – общее содержание азота в растворе.

Аминный азот - входящий в состав аминокислот, содержащихся в исследуемом субстрате.

Разница – небелковый азот (в виде неорганических компонентов).

Отношение аминного азота к общему – степень гидролиза – характеризует степень расщепления белковых молекул.

Растворимость. Растворимость белковых гидролизатов зависит от способа их получения, степени гидролитического расщепления, значений рН, температуры и присутствия солей в растворе. Немаловажную роль также играет природа белков, подвергаемых гидролизу.

Например, соевые белковые гидролизаты имеют низкую растворимость в пределах 20% в диапазоне pH 4÷5,5. Тогда как гидролизат мойвы имеет растворимость более 84% в диапазоне pH 2÷11. В присутствии нейтральных солей щелочных и щелочноземельных металлов растворимость белковых веществ изменяются. Растворимость многих белковых веществ растёт с повышением температуры, но бывает и наоборот. Уменьшение растворимости связано с уменьшением гидратации вследствие повышения интенсивности теплового движения молекулы воды, удерживаемых молекулярно-силовым полем гидрофильных центров белковых молекул [78].

Термостабильность. В процессе сушки ферментативные белковые гидролизаты подвергаются температурным воздействиям, которые могут оказывать определенное влияние на их свойства. Поэтому важным качеством гидролизатов является их высокая термостабильность, то есть, способность пептидов, входящих в их состав, дольше сохранять свою структуру и свойства при воздействии температуры по сравнению с нативным белком. Термостабильность гидролизатов проявляется даже при небольших степенях гидролиза в присутствии солей двухвалентных металлов, например СаСl₂ в интервале рН от 3 до 11 при нагревании до 100÷130°С [6]. Эта закономерность характерна для гидролизатов белков молочной сыворотки, казеина, сои, а также мясных и рыбных гидролизатов.

Эмульгирующие свойства. Эти свойства особенно важны при получении продуктов питания. В зависимости от степень гидролиза эмульгирующие свойства гидролизатов могут изменяться. Обнаружено значительное усиление эмульгирующей способности при гидролизе изолята соевого белка на 5 - 7 %, но при гидролизе до 9 % эмульгирующая способность уже снижалась. Более глубокий гидролиз белка молочной сыворотки, приводит практически к полной потере эмульгирующих свойств гидролизатов, а понижение эмульгирующей способности гидролизатов во многих случаях прямо пропорционально степени гидролиза [142].

Вязкость. (Вязкость - это величина, которая характеризует текучесть жидкости) При расщеплении пептидных связей наблюдается значительное уменьшение вязкости раствора белкового гидролизата по сравнению с раствором нативных белков [112].

Подобное уменьшение вязкости является положительным фактором при создании пищевых продуктов, так как существенно облегчает их транспортировку при дальнейшей технологической обработке. Кроме того, уменьшение вязкости гидролизатов положительно влияет на процесс сушки, так как позволяет существенно увеличить концентрацию азотистых компонентов в растворе, предназначенном для удаления влаги [60].

Области применения белковых гидролизатов

Традиционными областями применения белковых гидролизатов в зависимости от степени расщепления белка и степени очистки являются медицинская, пищевая, комбикормовая и микробиологическая промышленности.

В медицине белковые гидролизаты применяются для производства лекарственных препаратов [121], при различных патологиях, сопровождающихся нарушением пищеварения, а также при пищевых аллергиях. В этих случаях решающее значение приобретает лечебное питание [15, 23]. Питательные бульоны, приготовленные на основе рыбных белковых гидролизатов, предназначены для профилактики белковой недостаточности, заболеваний костно-мышечной системы и соединительной ткани, а также для улучшения обмена веществ в организме [19, 68].

В лечебном питании питательные вещества вводят либо в пищеварительную систему, либо непосредственно в кровь. Во всех этих случаях белок должен быть предварительно гидролизован, причем степень гидролиза зависит как от патологии организма, так и от выбранного способа введения [39, 73, 91].

Также продукты ферментативного гидролиза рыбного сырья могут быть использованы при производстве мучных кондитерских изделий профилактического назначения. Это повышает биологическую ценность выпускаемой продукции и является одним из направлений решения проблемы здорового питания населения [141].

Известно, что отдельные белки, такие, как белки молока, яиц, молочной сыворотки и сои могут вызывать аллергические реакции. Причем, даже очень незначительное содержание таких белков в пищевых продуктах оказывает аллергическое действие. В этом случае белки могут быть заменены на соответствующие белковые гидролизаты [137]. Например, гипоаллергенные гидролизаты молочных белков используют в специализированном (для спортсменов), клиническом и детском питании [137, 139]. Содержание в рыбном гидролизате фосфора и кальция особенно важно для детского организма и женщин в период беременности и лактации [36].

Рыбный коллаген, и продукты его гидролиза используются при производстве желатина, для осветления вин, получения пищевых плёнок, покрытий, съедобных оболочек, в качестве структурообразующего агента [100] в заливках для консервов и рыбных фаршей, формованных рыбных изделий, при производстве искусственной икры, бульонов, студней, соусов, различных оздоровительных напитков и коктейлей или как добавки в хлебопекарном и кондитерском производствах [89].

В пищевой промышленности белковые гидролизаты используют для приготовления соусов, приправ, бульонов или высококалорийных пищевых добавок [18, 19, 89, 100, 145].

Широкое использование получили белковые гидролизаты и в качестве основы для различных ароматизаторов и вкусовых добавок, имитирующих запах и вкус мяса, рыбы и грибов. В качестве субстратов для получения таких ароматизаторов могут быть использованы белки животного, растительного и микробного происхождения, белковые отходы пищевой промышленности.

Одной из распространенных областей применения белковых гидролизатов в пищевой промышленности является получение натуральных колбасных оболочек. В этом случае используют бактериальные ферменты, обладающие низкой коллагеназной активностью [89]. Отходы мясной промышленности, содержащие коллаген, подвергают действию подобных ферментов, и из оставшегося негидролизованного коллагена после его механической или химической обработки получают колбасные оболочки. Как показывают исследования, качество колбасных изделий в натуральной белковой оболочке значительно выше, чем качество аналогичных изделий в целлофане [33, 79].

В комбикормовой промышленности белковые гидролизаты применяются для получения комбинированных кормов. Высокое содержание полноценных белков определяет их особое место в создании кормовой базы животноводства [92, 98]. Так гидролизат, полученный ферментативным способом из рыбы, был использован в качестве белковой добавки и стимулятора роста в корм сельскохозяйственных животных и птиц, а также молоди рыб в условиях искусственного выращивания. Введение в стартовые корма ферментативного белкового гидролизата оказывает положительное воздействие на выживаемость молоди семги. Использование гидролизатов в качестве кормовой добавки цыплят-бройлеров позволило увеличить прирост их массы [57].

В микробиологической промышленности белковые гидролизаты, служат основой для диагностических питательных сред,

Питательные среды на основе рыбных гидролизатов, имеющие полноценный аминокислотный состав, находят широкое применение как субстраты для роста культур клеток [7, 10, 67, 92]. Такие питательные среды используются для выявления патогенной микрофлоры (кишечной палочки, сальмонеллы, листерии) [32, 66, 85], а также для получения различных бактериальных препаратов, например, препарата «Родер», применяемого для очистки почв и природных вод от нефти и нефтепродуктов [80].

Помимо вышеперечисленных направлений, в зависимости от степени очистки белковые гидролизаты нашли широкое применение в косметологии для получения различных шампуней, лаков для волос и других косметических и парфюмерных средств [23, 52, 81].

http://www.moluch.ru/archive/44/5355/

Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 66; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!