Wykład 1 Enzymologia a technlogia żywności.

Transkrypt

1 ENZYMOLOGIA Kierunek: Technologia Żywności i Żywienie Człowieka semestr I Wykład 1 Enzymologia a technlogia żywności. WYDZIAŁ NAUK O ŻYWNOŚCI I RYBACTWA CENTRUM BIOIMMOBILIZACJI I INNOWACYJNYCH MATERIAŁÓW OPAKOWANIOWYCH

2 Zakres materiału ENZYMOLOGIA 1. Biochemia, Autor: Jeremy Berg, Lubert Stryer, John L. Tymoczko, PWN Warszawa (2005) Rozdziały: 8. Enzymy:: podstawowe pojęcia i kinetyka 9. Strategie katalityczne 10. Strategie regulacyjne:: enzymy i hemoglobina 2. Ćwiczenia z enzymologii i technik biochemicznych. Bartoszewska, Niziołek, Paszowski, Wydawnictwo SGGW 3. Handbook of Food Enzymology ed. John R. Whitaker et al., CRC Press; (2002) 4. Enzymes in Food Technology - ROBERT J. WHITEHURST, BARRY A. LAW, Editors Sheffield Academic Press CRC Press (2002) 3. Food chemistry - Hans- Dieter Belitz, Werner Grosch, Peter Schieberle, Springer (2004)

3 Historia odkrycia - Na przełomie XVIII i XIX wieku obserwowano już trawienie in vitro mięsa przez wydzieliny żołądka oraz rozkład skrobi do cukrów prostych przez ekstrakty roślinne lub ślinę; - W XIX wieku, podczas studiów nad fermentacją cukrów do alkoholu przeprowadzaną przez drożdże, Louis Pasteur doszedł do wniosku, że reakcja ta jest ściśle powiązana z procesami życiowymi w drożdżach, którą nazwał "fermentem". Podejrzewano, że może być ona aktywna tylko w żywych organizmach ("nie ma fermentacji bez życia"). - W 1878 roku niemiecki fizjolog Wilhelm Kühne, by opisać te procesy, ukuł termin enzym, który pochodzi z greckiego ενζυμον i oznacza "w zaczynie". Później słowo enzym było używane w odniesieniu do substancji nieożywionych, jak chociażby pepsyna, a słowo ferment w odniesieniu do aktywności chemicznej wykazywanej przez organizmy żywe. - W roku 1897 Eduard Buchner (zdj.) na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie stwierdził, że fermentacja cukrów za pomocą ekstraktów drożdżowych przy nieobecności żywych komórekw jest możliwa. Odkryty enzym przeprowadzający fermentację sacharozy nazwał zymazą. W 1907 roku Eduard Buchner otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii "za swoje badania biochemiczne i odkrycie fermentacji bez udziału komórek. - Zgodnie z nazwą pierwszego enzymu, obecna nomenklatura ich nazewnictwa, przewiduje tworzenie nazwy od reakcji. Zazwyczaj dodaje się przyrostek - aza do nazwy substratu przetwarzanego w reakcji (np. laktaza to enzym przetwarzający laktozę).

4 INFORMACJE PODSTAWOWE ENZYMOLOGIA dziedzina biochemii, która bada budowę, właściwości oraz funkcjonowanie enzymów. ENZYMY - z greckiego: en w, zyme drożdże, zaczyn, - NATURALNE katalizatory chemiczne, które mają zdolność do przyśpieszania reakcji ( razy) nie ulegając przy tym przemianie, - wysoce wyspecjalizowane białka proste lub złożone, - wysoce specyficzne względem katalizowanej reakcji, jak i substratów reakcji, - ich aktywność może być regulowana.

5 Enzymy mają dużą siłę katalityczną 1. Enzymy przyspieszają reakcje chemiczne co najmniej milion razy. 2. Przy braku enzymów większość reakcji w układach biologicznych zachodzi tak wolno, że są one niezauważalne. Nawet tak mało skomplikowana reakcja, jaką jest uwodnienie dwutlenku węgla, jest katalizowana enzymatycznie. Przy braku katalizatora przeniesienie C0 2 z tkanek do krwi, a następnie do powietrza wypełniającego pęcherzyki płucne, byłoby niepełne. Anhydraza węglanowa, enzym katalizujący tę reakcję, jest jednym z najszybszych znanych enzymów. Każda cząsteczka enzymu może uwodnić 10 5 cząsteczek C0 2 w czasie jednej sekundy. Reakcja katalizowana w obecności anhydrazy zachodzi 10 7 razy szybciej, niż reakcja przy braku tego katalizatora. Anhydraza węglanowa (EC , dehydrataza węglanowa) enzym o masie cząsteczkowej Da, występujący w erytrocytach ssaków, katalizuje odwracalną reakcję powstawania jonu wodorowęglanowego HCO 3 - z wody i dwutlenku węgla. Model struktury anhydrazy węglanowej. Jon cynku, będący jej grupą prostetyczną, pokazany jako szara kulka w środku centrum aktywnego

6 Enzymy działają bardzo specyficznie Porównanie specyficzności: A trypsyny i B trombiny. Trypsyna rozszczepia wiązanie peptydowe po karboksylowej stronie reszt argininy i lizyny. Trombina rozszczepia wiązanie Arg- Gly tylko w niektórych sekwencjach Struktura polimerazy DNA wraz z substratem w postaci matrycy DNA 1. Enzymy charakteryzuje duża specyficzność, zarówno pod względem katalizowanej reakcji chemicznej, jak i wyboru związków biorących w niej udział, czyli substratów. 2. Jeden enzym katalizuje na ogół pojedynczą reakcję chemiczną lub zestaw ściśle pokrewnych reakcji. 3. W odróżnieniu od reakcji niekatalizowanych, w reakcjach katalizowanych przez enzymy rzadko występują reakcje uboczne, prowadzące do nieekonomicznego tworzenia zbędnych produktów. 4. Specyficzność enzymu wobec substratu jest zwykle bardzo znaczna, a czasami praktycznie absolutna. 5. Enzymy różnią się znacznie stopniem specyficzności wobec substratu. Np. polimeraza DNA jest niezwykle precyzyjna w odczytywaniu instrukcji zakodowanych w matrycy. Fałszywe wprowadzenie nukleotydu do nowo syntetyzowanej nici DNA zachodzi rzadziej niż raz na milion razy, ponieważ polimeraza DNA powtórnie odczytuje rosnący produkt i poprawia swoje własne błędy

7 Zastosowanie enzymów technologia żywności cz. I

8 Zastosowanie enzymów technologia żywności cz. II

9 Zastosowanie preparatów w technologii żywności umożliwia: - przyspieszenie procesów technologicznych produkcji żywności, - pełniejsze i wydajniejsze wykorzystanie surowców, - podjęcie produkcji nowych półproduktów i produktów żywnościowych, - zmniejszenie kosztów produkcji żywności, - przedłużenie trwałości produktów żywnościowych, - poprawę cech organoleptycznych produktów, - wykorzystanie produktów ubocznych przemysły spożywczego.

10 Pierwsze patenty związane z wykorzystaniem enzymów

11 Pierwsze zaobserwowoane i opisane procesy z udziałem enzymów fermentów JB Sumner, GF Somers. Chemistry and Methods of Enzymes. New York: Academic Press, 1953, pp

12 Pierwsze przemysłowe wykorzystaniem enzymów Produkcja diastazy otrzymywanie dekstryn (1833 rok) Payen - Dubrunfaut odkrył przemianę skrobi w cukier i pewnego rodzaju gumy dekstryn za pomocą wody i kiełków jęczmienia, - Payen i Persoz w 1833 roku otrzymali ferment nazwany diastazyną o następujących cechach: biały, amorficzny proszek, nierozpuszczalny w alkoholu i rozpuszczalny w wodzie, - Do produkcji diastazy - jęczmień jest moczony w wodzie, następnie prasowany i sączony i ogrzewany do 70 C, ponownie przefiltrowany, i wytrąca się go alkoholem, - Produkcja dekstryna przeprowadzono w reaktorze umieszczonym w kąpieli wodnej może być podgrzewane do 75 C, optymalna temperatura dla formacji dekstryny przez diastazy.

13 Pierwsze przemysłowe wykorzystaniem enzymów Produkcja mikrobiologicznej amylazy (1890 rok) - Japończyk Takamine rozpoczął izolowania amylazy bakteryjnej w 1890 ( poźniej Miles Laboratories - dziś część Genencor). - w 1894 roku uzyskał patent na produkcję preparatu enzymatycznego z form, które nazwał Takadiastase. - produkcja została wykonana w kulturze powierzchniowej z otrębów pszennych jako substrat i inoculum z zarodników Aspergillus oryzae

14 Pierwsze przemysłowe wykorzystaniem enzymów Hydroliza enzymatyczna trójacylogliceroli (1911 rok) - reakcja hydrolizy trójacylogliceroli za pomocą lipazy (z nasienia ricinus - procedura Nicloux i Hoyer), - naczynie może być ogrzewana I mieszane parą wodną - olej lub tłuszcz miesza się z wodą 35%, temperatura C, - ferment (enzym 4-8%) dodaje się do płynnej masy, wraz z siarczan manganu w celu aktywacji enzymu; - mieszanie przez 15 minut, następnie proces prowadzi się w czasie do 40 godzin (80% konwersji - 24 h, 90% po 2 dniach).

15 Pierwsze patenty związane z wykorzystaniem enzymów Hydroliza enzymatyczna trójacylogliceroli (1911 rok) Aspergillus oryzae (Ahlb.) E. Cohn gatunek grzybów należący do rodziny Trichocomaceae. Występuje w trzech odmianach: - Aspergillus oryzae var. brunneus Murak.; - Aspergillus oryzae var. effusus (Tirab.) Y. Ohara; - Aspergillus oryzae var. oryzae (Ahlb.) E. Cohn. Jest wykorzystywany (pod nazwą kōji) do fermentacji nasion soi podczas produkcji miso i sosu sojowego, stosowanych w kuchni azjatyckiej. Jest także używany w produkcji różnych rodzajów napojów alkoholowych, np. do fermentacji ryżu podczas wytwarzania sake. Nie produkuje aflatoksyn.

16 Cechy enzymów, które zdecydowały o ich zastosowaniu w technologii żywności: 1. enzymy ze względu na swoją specyficzność mogą prowadzić ściśle określone, wybrane reakcje. 2. enzymy działają bardzo szybko. 3. enzymy działają w bardzo małych ilościach (stężeniach), są bardzo wydajne, przekształcają bardzo duże ilości substratów (np. 1 g krystalicznej podpuszczki może przekształcić 1000 l mleka, ale jest bardzo droga. W praktyce najczęściej stosuje się 1 ml podpuszczki na 50 l mleka). 4. enzymy nie ulegają przemianie w wyniku reakcji chemicznej (teoretycznie nie zużywają się, ale praktycznie w środowisku reakcji znajdują się czynniki destrukcyjne, które denaturują białko enzymatyczne. W wyniku tego zmniejsza się aktywność enzymów, jednak nigdy nie ulegają przemianom). 5. szybkość procesów enzymatycznych można łatwo regulować (temperatura, ph, stężenie enzymu). 6. enzymy działają w łagodnych warunkach ph i temperatury, co obniża koszty produkcji i umożliwia zachowanie w produkcie składników wrażliwych na ostre traktowanie). 7. działanie enzymów można łatwo przerwać (proste sposoby inaktywowacji). 8. wszystkie enzymy są pochodzenia naturalnego nie są toksyczne, nie posiadają smaku ani zapachu (ale produkty reakcji katalizowanych przez enzymy mogą mieć). 9. preparaty enzymatyczne zachowują aktywność poza komórką łatwo jest je wyizolować, oczyścić i stosować. Najczęściej są w postaci płynów lub proszków łatwych do stosowania.

17 Wykorzystanie enzymów w przeszłości 1. Człowiek jaskiniowy - mięso przechowywane przez kilka dni ma lepszy smak i jest bardziej kruche i miękkie niż bezpośrednio po uboju, wyrób napojów oszałamiających z ziaren i owoców. 2. Starożytni Egipcjanie i Grecy - wykorzystywali proces fermentacji owoców do produkcji wina i piwa, fermentacji mleka w produkcji serów, znana też była produkcja chleba lat p.n.e. - w dokumentach egipskich z okresu Czwartej Dynas i znaleziono opis słodowania jęczmienia i fermentacji piwa lat p.n.e. - znane było chińskie piwo ryżowe lat p.n.e. - wytwarzanie serów podpuszczkowych z wykorzystaniem soku z żołądków młodych jeleni r. - zaobserwowano hydrolizę mięsa przez sok żołądkowy r. - J. Barzelius: rozkład skrobi do cukrów prostych przez ekstrakty roślinne lub ślinę, mechanizmy odpowiedzialne za te reakcje nie były znane r. - I. Pasteur: fermentacja tylko w żyjących komórkach, tam siła witalna, którą nazwał fermentem r. - W. Kuhne: coś co jest w drożdżach i powoduje fermentację nazwał enzymem (gr. en w, zyme drożdże, zaczyn).

18 Wykorzystanie enzymów w przeszłości r. - E. Buchner: otrzymał ekstrakt z drożdży, który przeprowadził fermentację sacharozy, który nazwał zymazą (fermentacja bez udziału komórek żywych) r. - J. B. Sumer (?) udowodnił, że enzym ureaza to białko i wyizolował je w formie krystalicznej z nasion konwalii r. - enzymy pektynolityczne do klarowania soków owocowych r. - enzymy amylolityczne do produkcji syropów słodkich r. (?) - po raz pierwszy enzym otrzymany dzięki zastosowaniu inżynierii genetycznej został wykorzystany w przetwarzaniu żywności - α- amylaza r. (?) - pierwsza zrekombinowana chymozyna została wykorzystana do produkcji żywności.

19 Kierunki wykorzystania preparatów enzymatycznych Przemysł gorzelniczy Amylazy upłynnianie i scukrzanie skrobi do cukrów fermentujących Proteinazy uwalnianie aminokwasów dla prawidłowego funkcjonowania drożdży, usuwanie zmętnień, klarowanie i stabilizacja piwa i wina Oksydaza glukozowa stabilizacja piwa i wina Przemysł piekarski i cukierniczy Amylazy scukrzanie skrobi do cukrów fermentujących, zwiększenie pulchności ciasta Proteinazy częściowa degradacja glutenu mąki, skracanie czasu wyrabiania ciast β- galaktozydaza zapobieganie krystalizacji laktozy β- fruktozydaza produkcja sztucznego miodu Glukoamylaza rozkład skrobi Lipazy poprawa cech organoleptycznych produktów Izomeraza glukozowa produkcja wysokofruktozowych syropów Przemysł mleczarski Proteinazy koagulacja mleka, dojrzewanie sera β- galaktozydaza usuwanie laktozy z mleka lipazy dojrzewanie serów, produkcja pełnego mleka w proszku

20 Kierunki wykorzystania preparatów enzymatycznych Przemysł mięsny, rybny, drobiarski Proteinazy tanderyzacja mięsa, przyspieszanie dojrzewania farszów, produkcja past i hydrolizatów Oksydaza glukozy usuwanie tlenu, ochrona produktów przed utlenieniem konserwy; ocukrzanie masy jajowej Przemysł przetwórstwa owocowo- warzywnego Amylazy usuwanie skrobi w produkcji soków Proteinazy ułatwienie ekstrakcji, stabilizacja klarowności soków Pektynazy usprawnienie tłoczenia oraz filtracji i klarowania soków Oksydaza glukozy ochrona konserwowanych napojów bezalkoholowych przed zmianami barwy, zapachu i korozją puszek

21 Źródła preparatów enzymatycznych: - ok. 50% - z grzybów i pleśni, - ok. 30% - z bakterii, - ok. 8% - ze zwierząt, - ok. 4% - z roślin.

22 Enzymy pochodzenie roślinnego i zwierzęcego w technologii żywności

23 Enzymy pochodzenie roślinnego i zwierzęcego w technologii żywności

24 Enzymy pochodzenie mikrobiologicznego w technologii żywności

25 Enzymy pochodzenie mikrobiologicznego w technologii żywności

26 Najważniejsze enzymy w technologii żywności Oko!o 4100 enzymów sklasyfikowanych Ok. 4-5% Oko!o enzymów znalaz!o zastosowanie w technologii "ywno#ci Ponad 80% to enzymy hydrolityczne 20% inne klasy g!ównie oksydoreduktazy 70% to proteinazy i amylazy 30% inne hydrolazy Jedynie ligazy nie znalazły do tej pory bezpośredniego zastosowania przemysłowego, lecz są przydatne w inżynierii genetycznej.