Enzimas biológicas para la industria alimentaria

La proteasa es el preparado enzimático industrial más importante, que puede catalizar la hidrólisis de enlaces peptídicos de proteínas y polipéptidos. Se encuentra ampliamente en órganos de animales, tallos y hojas de plantas, frutos y microorganismos. Puede ser sintetizada por varios organismos, pero solo la proteasa microbiana tiene valor de producción. La proteasa también es una enzima que se ha estudiado en profundidad. Hay más de 100 proteasas que han sido cristalizadas o altamente purificadas, muchas de las cuales tienen la estructura primaria como. También se han aclarado la estructura tridimensional.

La producción comercial de proteasas comenzó a principios del siglo XX, y las proteasas microbianas comenzaron a utilizarse en las industrias alimentaria y de curtido en la década de 1930. En los últimos 20 años, la investigación sobre proteasas microbianas ha experimentado un auge. A principios de la década de 1950, los estudiosos japoneses descubrieron por primera vez la existencia de varios tipos de proteasas en los mohos, especialmente proteasas ácidas. A principios de la década de 1960, los Países Bajos comenzaron a producir detergentes con proteasas alcalinas añadidas. Hasta el momento, existen más de 80 a 100 tipos de proteasas comerciales en el mercado internacional. Según la forma en que la proteasa hidroliza las proteínas, se puede dividir en los siguientes tipos. (1) Escinde los enlaces peptídicos dentro de la molécula de proteína para generar polipéptidos con un peso molecular relativo más pequeño. Este tipo de enzima generalmente se llama endopeptidasa (2) Escinde los enlaces peptídicos en el extremo amino o carboxilo de la molécula de proteína o polipéptido. y libera aminoácidos, este tipo de enzima se llama exopeptidasa. Las que actúan sobre el extremo amino se denominan aminopeptidasas y las que actúan sobre el extremo carboxilo se denominan carboxipeptidasas; (3) hidrolizan los enlaces lipídicos de proteínas o polipéptidos (4) hidrolizan los enlaces amida de proteínas o polipéptidos.

Según la fuente de la enzima, se puede dividir en proteasa animal, proteasa vegetal y proteasa microbiana.

Las proteasas microbianas se pueden dividir en proteasas bacterianas, proteasas de moho, proteasas de levadura y proteasas de actinomicetos.

Según el pH óptimo para la acción de las proteasas, se puede dividir en proteasa ácida con pH 2,5-5,0, proteasa alcalina con pH 9,5-10,5 y proteasa neutra con pH 7-8. Por conveniencia, este método de clasificación se usa comúnmente para proteasas microbianas según el centro activo de la proteasa y el pH óptimo de la reacción, se puede dividir en serina proteasas, tiol proteasas, metaloproteasas y proteasas ácidas con dos grupos carboxilo en el centro activo; . 3.1 Utilizado en la industria de la fermentación de alimentos

La elaboración de salsa de soja utiliza la proteasa secretada por Aspergillus oryzae para descomponer la proteína de la materia prima y degradarla en peptona, péptidos y aminoácidos para producir un producto con color. , aroma y sabor. Las preparaciones de proteasa también se utilizan directamente para preparar salsa de soja, pero el sabor no es bueno. En la elaboración de cerveza, cuando se reduce la cantidad de maltosa y se aumentan los materiales auxiliares, a menudo es necesario complementar con proteasa para degradar completamente la proteína, y las proteasas bacterianas son adecuadas para este propósito. La proteasa ácida microbiana también es un clarificador de cerveza eficaz. La salsa de pescado se elabora fermentando naturalmente pescado fresco con entre un 25 % y un 30 % de sal durante 6 a 12 meses. Agregar un poco de proteasa de moho puede acortar el tiempo de fermentación y mejorar el sabor.

3.2 Utilizado en la producción de curtido

La fibrina del cuero como materia prima para el curtido es un componente útil del cuero. Además, hay muchas proteínas no fibrosas presentes en los huecos de las fibras. y epidermis Aunque el contenido de estas proteínas es pequeño, si no se eliminan, el cuero acabado quedará rígido y quebradizo. La proteasa no puede descomponer el colágeno natural, solo puede descomponer las proteínas intersticiales, por lo que puede usarse en procesos de bronceado. Se pueden usar preparaciones domésticas de proteasa neutra y alcalina para la depilación enzimática.

3.3 Fabricación de gelatina y fibras solubles de colágeno

En la industria, el agua de cal se utiliza para eliminar grasas e impurezas de materias primas como la piel y los huesos. Este proceso lleva varios meses y es laborioso. Intensiva Tiene alta resistencia, baja tasa de producción de gel y alto consumo de energía. Al utilizar proteasa para purificar el colágeno, la gelatina tiene alta pureza, buena calidad, masa molecular relativa uniforme, disposición molecular ordenada, ciclo de producción corto y alto rendimiento de gelatina. 100%.

3.4 Teñido a baja temperatura de lana pretratada

El teñido de lana a alta temperatura dañará la resistencia de la lana y provocará fácilmente la contracción del fieltro de la fibra y la erección del cuerpo del cabello después del tratamiento. con proteasa La lana se tiñe en el punto de ebullición y la tasa de coloración puede alcanzar el 100% en 2 minutos. El producto terminado tiene un color brillante y una sensación tersa al tacto, y el contenido de combustible en el agua residual se reduce considerablemente.

3.5 Desgomado de la seda

La tela de seda cruda debe desgomarse. La sericina es un tipo de proteína en mi país siempre se ha utilizado el método del jabón alcalino para refinar la seda a alta temperatura para el desgomado. Hay muchas desventajas: el álcali ataca la fibroína de seda y es fácil que el cabello afecte el brillo. Después del desgomado con proteasa, el producto final se siente suave y brillante. El tiempo de desgomado es corto y la temperatura de funcionamiento es baja. se mejora la productividad.

Hay muchos tipos de proteasas con grandes diferencias en forma, pero las proteasas del mismo tipo también tienen sus diferencias. Las propiedades básicas de las proteasas son las siguientes:

(1) Desde la perspectiva de los grupos en el centro activo de la proteasa, todos los centros activos de las serina proteasas contienen serina; los centros activos de las tiol proteasas contienen cisteína; y los centros activos de las carboxil proteasas contienen aminoácidos ácidos, concretamente ácido glutámico o ácido aspártico; el centro activo de las metaloproteinasas contiene iones metálicos divalentes, tales como iones de zinc, iones de manganeso, iones de cobalto, iones de hierro, iones de cobre, etc.

(2) Muchas proteasas de moho, pepsina animal, quimotripsina, etc. son proteasas ácidas. El valor de pH óptimo para su acción es 2,0 ~ 4,5 y el punto isoeléctrico es pH 3 ~ 5. Es relativamente estable. Dentro del rango, la temperatura de funcionamiento óptima es de 37 a 60 ℃ y la masa relativa es generalmente de 30 000 a 35 000.

(3) Muchas proteasas de Bacillus y proteasas vegetales son proteasas neutras, con un valor de pH óptimo de 6,0 a 8,0, un punto isoeléctrico de 8 a 9, estable a pH de 6 a 7 y una masa molecular relativa. de 30.000 a 40.000, el tiempo de reacción es de 10 a 30 minutos, la temperatura óptima es de 40 a 50 ℃ y la estabilidad térmica es deficiente. La mayoría dice que las proteasas neutras son metaloproteasas.

(4) La proteasa alcalina es casi producida por microorganismos. Su pH óptimo es 9,0~10,5, su punto isoeléctrico es pH 8~9, su masa molecular relativa es pequeña, 20000~35000, y es estable. para calentar. Pobre sexo. Hay muchos tipos de proteasas. Las propiedades y condiciones de reacción catalítica de las diferentes proteasas son diferentes. Es imposible especificar un método de medición unificado. Actualmente, los más utilizados son el método de folin-fenol, la espectrofotometría UV y el método de titulación de formaldehído. y método DHT-caseína.

5.1 Método Folin fenol

La proteasa cataliza la hidrólisis de proteínas en aminoácidos, en la que los aminoácidos que contienen grupos fenólicos (triptófano, tirosina) reaccionan con el reactivo Folin para producir el color azul. El color del complejo es directamente proporcional a la cantidad de aminoácidos fenólicos y la actividad de la enzima se puede medir mediante este método.

5.2 Método de titulación de formaldehído

La proteasa cataliza la hidrólisis de proteínas en aminoácidos, luego fija los grupos amino de los aminoácidos con formaldehído y titula los aminoácidos generados con 0,1 mol/L. Solución de NaOH para medir su actividad enzimática.

5.3 Método de DHT-caseína

Utilice sal de diazonio de 5-aminotetrazolio para diazotizar parte de la histidina y la tirosina en tirosina para obtener caseína de 5-aminotetrazolio de nitrógeno pesado (DHT-caseína) de color amarillo. Usando DHT-caseína como sustrato, se hidroliza bajo la acción de la proteasa para generar DHT-péptido. Los iones divalentes pueden formar un quelato rojo soluble estable con DHT-proteína y DHT-péptido, mientras que los iones de zinc pueden precipitar rápidamente DHT-caseína. .proteína, pero no precipita el péptido DHT. Seleccione concentraciones apropiadas de iones de zinc e iones de níquel como precipitantes y cromógenos, y utilice métodos colorimétricos para determinar la actividad de la proteasa. La elastasa es una enzima proteolítica que se caracteriza por hidrolizar la elastina insoluble. Puede extraerse del páncreas animal o producirse mediante fermentación microbiana. La elastina es una estructura de red reticulada por residuos de aminoácidos no polares como alanina, leucina e isoleucina. Puede resistir el tratamiento con ácidos y álcalis y resistir la digestión por proteasas generales. La producción de este producto en mi país se extrae del páncreas de cerdo. Debido a la utilización limitada de los recursos de los órganos, la elastasa pancreática siempre ha sido escasa. En el extranjero, la elastasa medicinal se extrae del páncreas animal o se produce mediante fermentación y sus efectos son similares.

La elastasa microbiana, al igual que la elastasa pancreática porcina, tiene una amplia gama de actividades hidrolíticas. No solo puede degradar la elastina, sino también la gelatina, la fibrina, la hemoglobina, la albúmina y otras funciones de amplio espectro. endopeptidasa. La investigación y producción de elastasa producida por microorganismos ya ha comenzado en el extranjero y ha surgido la elastasa comercial, logrando enormes beneficios económicos y sociales. El uso de microorganismos para producir elastasa no solo puede proporcionar suficientes enzimas para fármacos terapéuticos, sino también proporcionar suficientes fuentes de enzimas para desarrollar otras aplicaciones de la enzima, como la degradación de desechos refractarios después del procesamiento de cerdos y ganado en el medio ambiente y el ablandar la carne con productos químicos. etc.

Debido a las amplias características de hidrólisis de la elastasa, puede descomponer los enlaces peptídicos en el extremo carboxilo de los aminoácidos alifáticos no polares, tiene actividades de lipasa y lipoproteína hidrolasa y puede degradar proteínas generales, incluidas las anti - Hidroliza la mayoría de las proteínas, incluida la elastina, por lo que la elastasa tiene amplias perspectivas de aplicación en la industria alimentaria. La elastasa producida por algunos microorganismos tiene una amplia especificidad de hidrólisis y puede degradar muchas proteínas animales y vegetales, especialmente algunos residuos proteicos como ligamentos, tubos aórticos, tendones, etc. que son difíciles de procesar y comer. de productos agrícolas y secundarios, alto Ha sido ampliamente utilizado en la producción de alimentos proteicos. Al mismo tiempo, la elastasa puede degradar específicamente los componentes resistentes de la fibra elástica en el tejido conectivo. Cuando existen otras proteínas con la elastina, la enzima hidroliza preferentemente la elastina, por lo que puede usarse como ablandador de carne ideal para el procesamiento de alimentos en la industria y la vida diaria. . Guan Guoxiong et al. estudiaron la diferencia en la capacidad hidrolítica de la elastasa y la papaína en diferentes proteínas. El estudio encontró que la papaína no tiene capacidad hidrolítica para la elastina cuando la elastina y otras proteínas comestibles están presentes, la elastasa hidroliza preferentemente la elastina; proteína dietética, la elastasa es dos veces más poderosa que la papaína. A partir de esto, se puede considerar que la elastasa realmente puede ablandar la carne sin cambiar el sabor al hidrolizar selectivamente la parte de fibra elástica dura de la carne, en lugar de simplemente agregar partes no selectivas a las proteínas comestibles.

La elastasa tiene un alto valor económico. En la actualidad, solo se extrae del páncreas de cerdo en China. Debido a la restricción de fuentes de enzimas, su uso como fármaco bioquímico terapéutico y otras aplicaciones ha sido escaso durante mucho tiempo. . Por tanto, es particularmente necesario utilizar microorganismos para producir elastasa. Aunque hace mucho que se iniciaron en el extranjero las investigaciones sobre la producción de elastasa por microorganismos, se han logrado grandes avances, por ejemplo, se ha ampliado la gama de fuentes de enzimas, la actividad enzimática ha aumentado de decenas de unidades a 1000 U/ml y el gen. Se han estudiado la estructura de la elastasa producida por varios microorganismos y la secreción de enzimas. Se han realizado investigaciones preliminares, pero todavía hay muchos problemas en la aplicación de microorganismos para producir elastasa. Por ejemplo, la elastasa producida por la mayoría de los microorganismos no es muy activa. Y la elastasa producida por algunos microorganismos tiene problemas de seguridad como la toxicidad. Al mismo tiempo, el procesamiento de la elastasa microbiana, la secreción y los mecanismos reguladores aún no están claros. Estos han obstaculizado la producción de elastasa por parte de microorganismos y retrasado el proceso de desarrollo e investigación.

Pero el uso de microorganismos para desarrollar elastasa tiene perspectivas inconmensurables. Algunas personas han calculado que si se extraen de 4,0 a 4,8 g de elastasa en polvo de 1 kg de páncreas de cerdo, la actividad total promedia 2 × 105,3 U/Kg de páncreas, y el uso de fermentación microbiana para producir elastasa requiere un tanque de fermentación de 20 m3 para producir 12m3 por día Calculada a partir del caldo de fermentación, la actividad enzimática total en el caldo de fermentación es de 1,2×109U, lo que equivale a la cantidad de elastasa contenida en un páncreas de 6000Kg. Se puede ver que la producción de elastasa mediante fermentación microbiana tiene un bajo costo, una gran producción, una alta utilización del equipo y no está limitada por la fuente de materias primas. En la actualidad, la clave para producir elastasa a partir de fermentación microbiana es detectar cepas de elastasa de alta producción y utilizar la mutagénesis para cultivar cepas que produzcan una mayor actividad enzimática. Además, es necesario realizar una investigación en profundidad sobre el mecanismo de producción de elastasa por parte de los microorganismos para aclarar los mecanismos de síntesis, procesamiento, secreción y regulación de la elastasa para lograr el control artificial de la producción de elastasa o transferir los genes estructurales que regulan la elastasa; síntesis en E. coli En este proceso, llevaremos a cabo un diseño intencionado de elastasa para reducir la toxicidad de la elastasa o mejorar la actividad enzimática; acortaremos el tiempo para que la elastasa realice pruebas farmacológicas, toxicológicas y de eficacia, y ampliaremos el uso de la elastasa en medicina; Industria alimentaria y aplicación diaria en la industria química.