Просто о ферментах. Почему они так полезны?

Как вы уже заметили, работа с заквасками и стартовыми культурами требует большого внимания и заботы о помощниках ферментации – микроорганизмах. Они осуществляют десятки реакций внутри продукта.

Иногда производство отдельных продуктов или пищевых компонентов требует проведения буквально нескольких химических реакций. Например, последовательно провести 3–4 реакции. В таком случае целесообразно использовать не клетки микроорганизмов целиком, а те самые 3–4 фермента, которые ускоряют желаемые реакции. В этой главе мы посмотрим на примере крупнотоннажных процессов, как это реализуется на практике.

Производство глюкозно-фруктозного сиропа

Сладкий вкус любимый всеми с детства. Женское молоко, природная пища для новорожденных, – одно из самых сладких среди всех млекопитающих. Оно содержит дисахарид – лактозу и специальный фермент лактазу, который помогает расщеплять углевод до глюкозы и галактозы.

Если вы подзабыли или не стали читать главу про биомолекулы, сейчас может быть подходящий момент, чтобы вернутся к разделу про углеводы – нас ждет очень сладкая тема!

Многие люди сохраняют любовь к сладкому вкусу и во взрослом возрасте. Не зря как грибы после дождя в любых новостройках открываются булочные и кондитерские. Но на самом деле даже те, кто, став старше, разлюбил эклеры, нет-нет да и съедят с мясом какой-то вкусный соус или выпьют стакан газировки.

Мозг, вне зависимости от возраста тела, «любит» сахар, ведь это быстрое и надежное топливо. Поэтому блюда, которые содержат сахар, привлекают нас, даже если это основное блюдо. Этим секретом пользуются многие повара как европейских, так и азиатских кухонь, а также производители промышленных продуктов.

Сахароза – привычный белый сахар, состоит из глюкозы и фруктозы. Если вы когда-то делали пероральный глюкозотолерантный тест, то наверняка были шокированы необходимостью выпить раствор 75 граммов глюкозы в 300 мл воды. Это же должно быть, уму непостижимо, как сладко! Однако на тесте многие говорят, что ожидали большей сладости от напитка. В чем причина?

Если мы примем сладость сахарозы за 100 %, то глюкоза окажется не такой сладкой – всего 75 %. То есть напиток с 75 граммами глюкозы заметно менее сладкий, чем с тем же количеством сахарозы. А вот фруктоза гораздо слаще – ее можно оценить аж в 160 %. В этом, кстати, кроется одна из причин использования фруктозы в диабетических продуктах: ее просто нужно меньше для создания того же уровня сладости.

Но что, если смешать сиропы глюкозы и фруктозы в произвольных соотношениях? Мы получим целую серию так называемых глюкозно-фруктозных сиропов с разным уровнем сладости. Самые несладкие из этого семейства подойдут для улучшения вкусов соусов, например кетчупов. И напротив, самые сладкие, высокофруктозные сиропы используются в производстве сладких напитков и кондитерских изделий.

Откуда же брать компоненты – глюкозу и фруктозу, желательно еще и недорого. Сахарозу мы получаем из растительного сырья – из сахарного тростника или из свеклы. С другой стороны, у нас есть прекрасный источник глюкозы – картофельный или кукурузный крахмал.

Крахмал состоит из линейных цепочек глюкозы с разветвлениями. При расщеплении крахмала на отдельные фрагменты можно получить глюкозный сироп. Есть жесткие технологии, при которых крахмал расщепляют сильными кислотами, но для пищевой промышленности этот метод опасен. Да и зачем, когда есть ферменты?

Исходное сырье – крахмал – в водной среде образует вязкие среды (пример – клейстер), и его необходимо трансформировать, хотя бы перевести в более растворимое состояние. Для этого сырье обрабатывают ферментом альфа-амилазой, только выделенной не из человека, а из сенной палочки (читайте о них подробнее в части про «Ферментированные продукты из сои: соевый соус, мисо, натто», стр.) Bacillus subtilis. Для оптимального протекания процесса на производстве обычно добавляют соли кальция, слегка подкисляют среду и изрядно нагревают, доводя почти до кипения.

Продукт представляет собой суспензию, которую охлаждают до 60 °C и еще немного подкисляют. Сейчас промежуточный продукт представляет собой «обломки» цепочек крахмала, которые на отдельные глюкозы расщепит уже глюкоамилаза из плесневого гриба Аspergillus niger. На выходе у нас отличный глюкозный сироп с выходом примерно 95 %, но как получить фруктозу? Хорошо бы вспомнить, что глюкоза и фруктоза – изомеры, а значит их можно превращать друг в друга. Здесь на помощь приходит фермент глюкозоизомераза, однако с ней есть нюансы.

Дело в том, что глюкозоизомераза – это не самый распространенный фермент, она экспрессируется в некоторых клетках при стрессовых ситуациях. Поэтому фермент этот дорогой и чувствительный к внешним воздействиям – в некотором смысле этакая «принцесса на горошине».

Например, глюкозоизомераза не терпит присутствия солей кальция, которые мы добавили в самом начале. Так что сначала глюкозный сироп надо очистить в несколько этапов с помощью фильтрования.

Кальций удалили? Добавим соль магния! Она служит активатором для нашей принцессы. Еще надо не забыть выровнять кислотность среды до слабощелочной реакции (примерно 8). Вот теперь мы готовы провести реакцию изомеризации.

Дорогую и чувствительную глюкозоизомеразу заключают в специальные полимерные шарики для большей сохранности, буквально как сказочную принцессу в башню. Этот подход, при котором фермент включают в какой-то носитель, называют иммобилизацией – дословно, лишение подвижности. Сквозь эти шарики, как через песок, пропускают глюкозный сироп, получая высокофруктозный сироп.

Стандартный глюкозо-фруктозный сироп содержит глюкозу и фруктозу в соотношении 55:45. В пищевой промышленности он используется не только как подсластитель, но и как загуститель.

У глюкозо-фруктозного сиропа есть ряд преимуществ: низкая стоимость, яркая сладость, стабильность при хранении и транспортировке. Однако его потребление должно укладываться в дневную норму по добавленному сахару, иначе проблем не избежать. Как обычно, все хорошо в меру.

Улучшение вкуса грейпфрутового сока с помощью ферментов

Помните вкус свежевыжатого грейпфрутового сока? Что приходит первым на ум? Конечно, яркая горчинка. Есть настоящие ценители, но чаще всего среднестатистический потребитель отдаст предпочтение продуктам с более мягким вкусом. Как же сделать сок более подходящим для широких масс?

Конечно, внимательно посмотреть на химический состав сока. Оказывается, в его составе есть вещество нарингин. Именно он отвечает за характерную горечь, стало быть, надо его расщепить.

Для расщепления нарингина используется ферментный комплекс – альфа-L-рамнозидаза и бета-D-глюконаза. В природе они действуют вместе, буквально «мы с Тамарой ходим парой», и ученые, не сразу поняв, что это два отдельных белка, назвали весь комплекс нарингиназой.

На самом деле альфа-L-рамнозидаза отвечает за первый этап расщепления нарингина, при котором образуется моносахарид рамноза и прунин. На втором этапе уже бета-D-глюконаза расщепляет прунин на нарингинин и глюкозу. Так что сок получается даже немного слаще, чем был от природы.

Когда речь идет о ферментных комплексах, иммобилизация становится особенно значимой. Нельзя допустить «провисаний», когда часть субстрата останется на стадии промежуточного продукта. Для нарингиназы используется очень широкий выбор носителей: от стандартных полимерных шариков до гелей из альгинатов (тех самых, из водорослей) и даже магнитных частиц.

Осветление фруктовых соков с помощью пектина

Представьте себе, что у вас на даче невероятно уродились яблоки. Деревья ломятся от плодов, и столько в сыром виде, конечно, не съесть – придется заготавливать повидло, пастилу или же сок.

Вы очищаете яблоки, делите на дольки, вычищаете семечки… Бесконечно работает соковыжималка. И когда наконец домашние пробуют сок, то вместо восторга и восхищения вы получаете фразу: «А он не такой, как из магазина». «Пить не буду», – заявляет подросток и уходит к себе.

А что случилось? Почему яблочный сок из пакета так сильно отличается от сока, который сделали дома с помощью обычной соковыжималки? Кто-то скажет, что все дело в мякоти – но не только.

Дело в том, что у растительной клетки (и у яблока в том числе) есть клеточная стенка, состоящая из целлюлозы, гемицеллюлозы и пектиновых веществ. Чаще мы называем их просто пектинами. При разрушении клетки в сок попадают все эти вещества, а также лигнин, крахмал, некоторые белки. Но преимущественно за «облачка» мутности – коллоидные образования в соках – отвечает именно пектин.

Под пектином мы в общем смысле понимаем группу кислых полисахаридов. Основная полимерная цепочка должна состоять из остатков метил-D-галактуроновой кислоты, соединенных гликозидными связями. В ответвлениях иногда встречаются и другие остатки моносахаридов: арабинозы, ксилозы или даже галактозы.

Как хорошо, что для расщепления пектина у нас есть ферментный комплекс – пектиназа!

Чаще всего коммерчески доступные пектиназы представляют собой смесь как минимум двух ферментов – эндо-α1,4‑полигаклактуроназы и экзо-α1,4‑полигалактуроназа. «Эндо» разрезает молекулы пектина где-то в середине, в то время как «экзо» откусывает по одному остатку с конца. У нас уже была такое деление ферментов на эндо– и экзо-, когда мы обсуждали пищеварительные протеазы, и вот – природа вновь повторяется, распространяя удачный опыт на широкий круг субстратов.

Также в пектиназный комплекс могут входить пектатлиаза, экзопектатлиаза, пектинлиаза и пектинэстераза. Чаще всего в промышленности используют пектиназы, выделенные из плесневых грибков. Как именно и в каких пропорциях сочетать ферменты в конкретном препарате – выбор за исследователем и типом сырья, с которым ему приходится работать.

Ферментативный синтез аспартама

Красиво жить не запретишь! А также сладко. Но последствия излишнего dolce в нашей vita негативно сказываются на показаниях весов. У пищевой промышленности быстро нашлось решение, как снизить калорийность десертов. Ответ – в использовании сахарозаменителей.

Сахарозаменители – это вещества, которые обладают сладким вкусом, но имеют меньшую калорийность по сравнению с сахаром. Часто либо их сладость настолько высока, что нужна буквально щепотка на весь торт, либо они практически не имеют калорийности.

Сахарозаменители очень активно используются в продуктах питания и напитках, ведь индустрия низкокалорийных продуктов развивается колоссальными темпами. Очень востребованы подсластители с минимальной калорийностью для создания десертов, вписывающихся в суточный калораж для спортсменов и людей, придерживающихся низкокалорийной диеты.

Индустрия сахарозаменителей включает в себя различные виды заменителей сахара:

• сахарин;

• сукралоза;

• стевиозид

и др.

Например, одним из самых коммерчески успешных сахарозаменителей была сукралоза. Она в 600 раз слаще сахара! С химической точки зрения сукралоза похожа на обычную сахарозу, но содержит два атома хлора в составе. Использование в пищевых продуктах сукралозы одобрено крупнейшими регуляторами, такими как FDA и Европейским агентством по безопасности продуктов питания

Стевиозид же – это натуральный сахарозаменитель, получаемый из растения Stevia rebaudiana. Это довольно крупная молекула, и для человека она примерно в 300 раз слаще сахара!

А нас здесь интересует еще один подсластитель – аспартам. А все потому, что для его производства необходимо использовать ферменты.

С химической точки зрения аспартам – это метиловый эфир дипептида, то есть продукт реакции двух аминокислот. Аспартам состоит из остатков аспарагиновой кислоты и фенилаланина, так что это действительно небольшая молекула.

Ни одному квалифицированному химику не приходит в голову облизывать руки в процессе органического синтеза – а вот Шлаттер рискнул и выиграл.

Аспартам по калорийности близок к сахарозе, но есть нюанс – он в 200 раз более сладкий для человека на вкус. Так что там, где обычно в пирог кладут стакан сахара, можно обойтись буквально щепоткой подсластителя.

Синтез аспартама в лабораторных условиях – дело затруднительное. Оно требует многих этапов работы, чтобы получить именно целевую молекулу, да еще и без токсичных побочных продуктов.

В реальной практике создания аспартама используют ферментативный синтез. Примечателен аспартам еще и тем, что и исходные вещества для его получения (а именно L-аспарагиновая кислота и фенилаланин) получают тоже с помощью биотехнологии!

Начнем по порядку.

L-аспарагиновая кислота является одной из двадцати природных аминокислот. Поскольку она очень распространена в живых организмах, при должном старании ее можно выделить из практически любого белкового сырья – вплоть до рогов и копыт, но это процесс небыстрый и энергозатратный.

Удобнее наладить биотехнологический синтез L-аспарагиновой кислоты с помощью иммобилизованных клеток кишечной палочки. Для этого бактерии фиксируют в полимерный носитель (каррагинан или полиакриламид) и «кормят» предшественником L-аспарагиновой кислоты – кислотой фумаровой.

В кишечных палочках активен фермент аспартаза, которая ускоряет реакцию получения нашего продукта. Очистка тоже очень простая – надо лишь добавить при охлаждении раствор серной кислоты, это приведет к выпадению продукта в осадок. Оптимизированная технология позволяет получать очень высокий выход – вплоть до 95 %, при этом сам катализатор (бактерии в полимерном носителе) служит до двух лет.

Для синтеза фенилаланина чаще всего прибегают к ферментации, то есть превращению исходного сырья в продукт посредством работы стартовых культур.

В качестве «корма» для этих культур используют простую глюкозу, но сами культуры – не обычные, а генномодифицированные. Это так называемые штаммы – суперпродуценты, коринебактерии Corynebacterium или кишечные палочки E. coli, в которых наиболее активен метаболический путь синтеза фенилаланина.

Еще можно использовать ферментативные реакторы: взять аммиак и транскоричную кислоту, а в качестве катализатора использовать фермент L-фенилаланин-аммиаклиазу. У этого процесса тоже очень высокие выходы – до 85 %, что не может не радовать сердце химика-технолога на производстве.

Как и любое синтетическое вещество в пищевой промышленности аспартам прошел многолетние проверки на безопасность. На 2023 год крупнейшие международные регуляторы – FDA и EFSA признают его безопасность при употреблении в рамках суточной нормы.

Однако в середине 2023 года Международное агентство по изучению рака и ВОЗ выступили с заявлением, что обнаружены ограниченные доказательства канцерогенности аспартама. Но сами авторы подчеркивают, что пока прямых доказательств связи употребления аспартама и развития рака у них нет, и не рекомендовали снижать суточную норму потребления (40 мг аспартама на кг веса).

Самые большие зануды от мира контроля за действием химических веществ на организм человека, то есть FDA, и вовсе нашли неточности и недостатки в аналитической работе коллег. Так что по состоянию на конец 2023 года аспартам остается безопасным при употреблении в рамках суточной нормы.

А эта суточная норма – много или мало? Представим себе человека 60 кг массой. Для него максимально допустимая масса съеденного за день аспартама – почти 2,5 грамма. Если учесть, что аспартам в 200 раз слаще сахара, то, получается, суточная норма подсластителя обеспечивает уровень сладости от полкило сахара!

Наверное, сложно представить себе такого сладкоежку весом в 60 кг, кто бы ел каждый день по 500 граммов сахарного песка. Так что суточная норма аспартама явно рассчитана с запасом.

На самом деле главный доказанный нюанс у аспартама – это запрет на его употребление для людей с фенилкетонурией. Это наследственное редкое заболевание, при котором не вырабатывается фермент фенилаланингидроксилаза, превращающая фенилаланин в тирозин.

У больных фенилкетонурией употребление аспартама приводит к накоплению фенилаланина, то есть к гиперфенилаланинемии. Этим пациентам рекомендовано исключать из рациона белковую пищу.

Фенилкетонурия – заболевание, во‑первых, очень редкое, а во‑вторых, пациенты обычно хорошо знают о специфике своего рациона. На всякий случай на продуктах с аспартамом производители всегда печатают «Содержит источник фенилаланина. Противопоказано применение при фенилкетонурии».

Ферментные добавки при хлебопечении

Хлеб у многих народов считается продуктом практически священным. Хлеб всему голова. Но при текущих объемах выпечки хлеба на хлебозаводах соблюдать традиции древности становится просто невозможно.

Цены на промышленно произведенный хлеб и хлеб ручной работы порой отличаются буквально в десять раз. Как же добиться высокого качества хлеба и при этом обеспечить страну недорогим продуктом?

В некоторых странах для улучшения качества муки используют неорганические вещества, например бромат калия (E924). Он отбеливает муку, делая хлеб более привлекательным для покупателей.

А еще добавка бромата калия приводит к увеличению объема и улучшению текстуры хлеба, делая его более мягким и воздушным.

Одна проблема – для этой добавки доказано негативное воздействие на организм, и в России он как пищевая добавка запрещен. Да и зачем использовать потенциально токсичные вещества, когда для обработки природного сырья (то есть зерна и муки) у нас есть ферменты?

В целом ферменты есть в самом тесте, но в зависимости от партии муки, закваски и многих других условий их активность может варьироваться. А если ферментов не хватает, работать с тестом становится сложно. Оно расплывается, словно убегая от замеса, и липнет ко всему. Значит, добавим ферменты к муке, чтобы добиться стабильного качества!

Сегодня на производстве, особенно при выпечке белого хлеба, используют комбинированные ферментные препараты. Тут и амилазы, и липазы, и даже ксиланазы, и гемицеллюлазы, и протеазы. Но обо всем по порядку.

Итак, белая мука – нежная и легкая, но лишенная оболочки зерна, а значит, и львиной доли природных ферментов. Именно к ней надо добавлять амилазы, которые отщепляют отдельные фрагменты от боковых цепей крахмала. Это позволяет хлебу медленнее черстветь. Комбинация амилаз дополнительно способствует пышности хлеба и образованию румяной корочки.

Дальше поработаем над повышением эластичности теста. За этот параметр отвечает глютен (клейковина) в тесте.

Тот самый, великий и почему-то ужасный глютен. С химической точки зрения это белок, и его «развитие» в тесте как раз обуславливает способность теста к вытяжению.

Пекари говорят, что глютен «развивается» во влажной среде, поэтому, если хотите испечь что-то с рассыпчатой текстурой (кексы или маффины), смешивайте сухие и жидкие ингредиенты в последний момент. Но если вам нужно тесто, которое можно вытянуть или раскатать, – дайте ему время после смешения муки и жидкостей!

На производстве для того, чтобы глютен правильно «развился», можно использовать целый комплекс ферментных препаратов.

Во-первых, для упругости теста в муку добавляют комплекс ксиланаз и гемицеллюлаз. Эти ферменты расщепляют нерастворимые растительные полисахариды (ксиланы и гемицеллюлозу соответственно), которые мешают развитию глютена. Так что при недостатке ксиланаз и гемицеллюлаз тесто получается липким, расплывается и никак не хочет вытягиваться или раскатываться.

Для помощи белку – глютену – иногда к муке добавляют и протеазы. Пекари говорят, что протеазы «ослабляют» глютен, то есть белок подвергается частичному гидролизу. Это актуально при замешивании теста на вафли, крекеры или даже стаканчики для мороженого!

Несмотря на то что мука – это преимущественно углеводы, немного жира в все же там есть, и липазы могут повысить качество муки и выпекаемого хлеба.

Продукт работы липазы – свободные жирные кислоты, а также моно– и диглицериды (см главу про липиды). Эти вещества делают хлебный мякиш более нежным и мягким и способствуют лучшему удержанию влаги. Попросту говоря – хлеб медленнее черствеет. Дополнительный бонус – образованные вещества служат эмульгаторами, то есть способствуют равномерному распределению маслянистых и водорастворимых ингредиентов по тесту.

У некоторых производителей хлеба, особенно тостового с сверхдлинным сроком хранения, вы в составе и найдете моно– и диглицериды жирных кислот, которые добавляют как отдельные ингредиенты.

С точки зрения натуральности состава и баланса вкуса использование липаз гораздо более оправданно, поскольку они преобразуют только те жиры, которые уже были в муке от природы.

Технология получения безлактозного молока

Молоко – один из самых распространенных продуктов питания, который присутствует в рационе многих людей. Оно обладает ценными питательными свойствами и содержит множество полезных веществ.

Но что особенно важно, так это то, что молоко млекопитающих сладкое. Оно содержит молочный сахар – лактозу, которая необходима для роста детеныша, в первую очередь для развития мозга.

Однако чем старше малыш, тем проще его снабдить питательными веществами из окружающей среды, и потребность в материнском молоке снижается. У многих подростков-млекопитающих довольно быстро развивается непереносимость лактозы.

У людей, особенно некоторых народов Азии и Африки, во взрослом возрасте тоже формируется непереносимость лактозы. Обычно это народы, которые исторически не занимались скотоводством и поэтому не имели доступа к практически безлимитному молоку сельскохозяйственных животных.

Непереносимость лактозы связана со сниженной активностью фермента лактазы. Здесь важно оговориться, что снижение активности происходит именно во взрослом возрасте.

Если же у новорожденного детеныша лактаза не вырабатывается, он, вероятно, обречен на голодную гибель. У человека это заболевание носит название «первичная лактазная недостаточность» и встречается в 5–10 % случаев. Такие малыши должны получать специальное питание и всю жизнь избегать лактозы. При этом у многих абсолютно здоровых новорожденных бывает так называемая транзиторная лактазная недостаточность, при которой недолгое время у ребенка наблюдается расстройство ЖКТ. Она быстро проходит, и ребенок дальше может питаться грудным молоком или адаптированной смесью без дополнительных ухищрений.

Мы же сейчас будем говорить о производстве безлактозных продуктов для взрослых людей, например жителей Азиатского и Тихоокеанского регионов. У них с возрастом активность лактазы угасает.

Обычная чашка капучино у таких людей вызывает тяжелый дискомфорт: лактозу начнут расщеплять бактерии в кишечнике, что приведет к метеоризму, спазмам и прочим нарушениям ЖКТ.

Если вы смотрели знаменитый сериал «Теория большого взрыва», то, наверное, обратили внимание на то, что у одного из главных героев – Леонарда – как раз была классическая картина непереносимости лактозы. Много же комичных моментов отыграли сценаристы на этой особенности героя!

Наверняка Леонард был бы счастлив попробовать наш кефир, ведь в нем лактоза практически полностью удалена трудами кефирного грибка. Но это – ферментация, о ней мы говорили очень подробно в прошлой главе, а как сделать этот процесс еще более технологичным?

Очевидно, добавить лактазу! Она расщепит лактозу на галактозу и глюкозу. Причем эффективность работы будет очень высока – примерно 97–99 %. Это молоко называется низколактозным (немного сахара все-таки остается) и обладает характерным сладким вкусом из-за образования глюкозы.

Но можно и улучшить процесс – если перед добавлением фермента молоко предварительно пропустить через специальный фильтр, улавливающий лактозу.

Тогда лактазе останется лишь «доделать» работу до конца – расщепить те некоторые молекулы лактозы, которые прошли незамеченными сквозь фильтр. Из-за того, что большая часть сахара была удалена на фильтре, итоговый продукт получится не таким сладким, как низколактозное молоко.

Фермент лактазу для пищевой промышленности выделяют из грибков, например дрожжи Kluyveromyces fragilis, Kluyveromyces lactis или плесневые грибки Aspergillus niger и Aspergillus oryzae. Последние нам уже не раз встречались как любимые модельные организмы для получения многих промышленных ферментов.