Ферменты — биологические катализаторы, белковой природы, обладающие высокой активностью и специфичностью действия. Их применение значительно увеличивает скорость химических превращений, что позволяет сократить продолжительность многих технологических процессов. С помощью ферментов может быть обеспечена также определенная направленность процессов при получении ценных компонентов продуктов питания.

Гидролиз лактозы. Ферментативный гидролиз лактозы в молочной выворотке достаточно подробно изучен как в нашей стране, так и за ру­бежом. В качестве фермента применяют лактозу (0-галактозидазу), полученную на основе микробного синтеза из дрожжей и плесневых грибов. В результате гидролиза плохо растворимый и несладкий молочный сахар (лактоза) превращается в более сладкую и хо­рошо растворимую смесь моносахаров (глюкозы и галактозы), что позволяет широко использовать фермент для производства пищевых и кормовых продуктов. В общем виде уравнение гидро­лиза лактозы можно представить так:

С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О = С₆Н₁₂О₆+С₁₆Н₁₂О₆

лактоза                глюкоза галактоза

Степень гидролиза лактозы Y (в %) в зависимости от температуры X₁ (в °С), продолжительности процесса Х₂ (ч), концентрации фермента Х₃ (ед. на 1 г лактозы) и рН X₄ описывается следующим уравне­нием регрессии, полученным на основе обработки экспериментальных данных на ЭВМ:

Y = - 636,2 + 28,156 Х₁, - 0,230Х  +26,713Х  -0,671 Х  - 8,384Х₃ – 103,8Х₄ + 12,44Х  - 0,264Х₁Х₂ +0,165 Х₁Х₃.

Оптимальными технологическими параметрами для обеспечения гидролиза 50% лактозы являются: Х₁ = 35 ^оС; Х₂ = 4,52 ч; Х₃= 4 ед. на 1 г лактозы; Х₄ = 6,7.

В результате гидролиза в моносахара превращается до 50— 70% лактозы, увеличиваются сладость и усвояемость готового продукта. Во многих странах пользуются популярностью кисломолочные продукты и напитки, вырабатываемые из молока с гидролизованной лактозой. Проводятся исследования по производству сыра из гидролизованного молока. Сыр по сравнению с контрольными образцами отличается более высокими вкусовыми качествами и ускоренным процессом созревания.

Особый интерес представляет возможность выработки продуктов и полуфабрикатов из молочной сыворотки с гидролизованной лактозой. Такие полуфабрикаты можно широко использовать для приготовления различных напитков, пищевых сиропов и подслащающих веществ для кондитерской промышленности. Использование этих полуфабрикатов в хлебопечении позволяет добиться хорошей сбраживаемости хлебопекарными дрожжами, улучшения cTBa хлеба.

В гидролизованной молочной сыворотке явно проявляются пики содержания глюкозы и галактозы (рис. 2.36.) увеличивается примерно в два раза содержание летучих жирных кислот (рис. 2.37.) накапливаются ароматические соединения (табл. 2.24.)

Рисунок 2.36.

      Рисунок 2.36. - Хроматографическая идентификация углеводов гидролизованной сыворотки: а - стандартный раствор смеси углеводов; б - подсырная сыворотка гидролизо­ванная; в - творожная сыворотка гидролизованная; 1 - лактоза; 2 – глюкоза; 3 – галактоза.

Рисунок 2.37.

Рисунок 2.37. – Хроматограмма летучих жирных кислот молочной сыворотки: а — стандартная смесь кислот; б — творожная сыворотка натуральная; в — творожная сыворотка гидролизованная; г - подсырная сыворотка натуральная; д - под­сырная сыворотка гидролизованная; 1— муравьиная кислота; 2 — уксусная кис­лота; 3 - пропионовая кислота; 4 - масляная кислота

Таблица 2.24.

Следует отметить, что натуральная молочная сыворотка содержит значительное количество ароматических соединений. Технологическая обработка и гидролиз увеличивают их количество, что благоприятно отражается на возможности ее использования в хлебопечении, производстве безалкогольных напитков и других пищевых продуктов.

В последнее время в нашей стране и за рубежом проводятся работы по созданию и использованию иммобилизованных ферментов. Иммобилизованные ферменты представляют собой нерастворимые вещества, в которых фермент связан с каким-либо носителем силами адсорбции или ковалентными связями либо заключен в матрицы или микрокапсулы. Иммобилизованные ферменты сохраняют свою специфичность и активность, могут быть легко удалены из конечного продукта, то есть могут быть использованы многократно. Кроме того, иммобилизация повышает стабильность фермента, позволяет проводить гидролиз в течение продолжительного времени, при более низкой стоимости и без добавления чужеродных материалов в готовый продукт.

При использовании иммобилизованной достигается принципиальное изменение технологической схемы гидролиза молочной сыворотки

Лабораторные исследования по испытанию иммобилизованной β-галактозидазы "Галактосил" позволили установить зависимость процесса от рН (рис. 2.38.) и температуры (рис. 2.39.).

Максимальная активность гидролиза (90%) наблюдается при рН 3-4, при рН 5 она снижается (до 70%), а при рН 6 составляет только половину макси­мальной. Следовательно, необходимо подкисление среды.

Оптимальной температурой, обеспечивающей максимальную степень гидро­лиза (90 %), является 50 °С Повышение температуры приводит к инактивации фермента, а некоторое снижение (до 30 °С) создает предпосылки для обеспечения необходимой степени гидролиза на уровне 80 %

Необходимая скорость протекания субстрата через колонку, установленная экспериментально, соответствует 1,4 т лактазы на 1 г фермента в 1 ч.

Рисунок 2.38.

     Рисунок 2.38. – Влияние рН субстрата на степень гидролиза лактозы, иммобилизованной β-галактозидазой «Галактосил»: 1 – фильтрат подсырной сыворотки; 2 – раствор лактозы 5 %-ной концентрации.

Рисунок 2.39.

Рисунок 2 .39. – Влияние температуры субстрата на степень гидролиза лактозы, иммобилизованной β-галактозидазой «Галактосил»: 1 – фильтрат подсырной сыворотки; 2 – раствор лактозы 5 %-ной концентрации.

Исследования, проведенные с лактазой, иммобилизованной на аминосилохроме С-80 при помощи гассипола, показали, что время полураспада при работе на субстрате с концентрацией лактазы 20% составляет: чистый раствор лактозы - 93 дня, творожная сыворотка – 85, ее ультрафильтрат - 71 день. Степень гидролиза в зависимости от вида и дозы фермента, условий его работы колеблется от 39 до 100%, Эффективность использования ферментных препаратов для гидролиза лактазы можно повысить с помощью ультрафильтрации.

Проведенные исследования показали, что в качестве фильтрующего элемента целесообразно использовать полупроницаемые ацетатцеллюлозные мембраны УАМ-150 М. Снижение активности фермента (3-галактозидазы и степени гидролиза лактазы по циклам процесса (термоинактивация + ультрафильтрация) приведено Табл. 2.25.

Таблица 2.25.

Расчетный показатель инактивации составляет 0,0029 ч^-1, период полураспада 238,96 ч. Следовательно, в течение десяти дней эксплуатации фермента его активность снизится примерно наполовину

Гидролизованная молочная сыворотка и ее концентраты (глюкозо-галактозные сиропы) могут быть широко использованы в пищевой промышленности в качестве наполнителей и обогатителей продуктов питания, а также в сельском хозяйстве для обогащения кормов.

Гидролиз сывороточных белков. Гидролиз белков молочной сыворотки до пептидов и аминокислот осуществляют для повышения биологической ценности вырабатываемых продуктов или из-за требований технологического процесса. Так, вполне обоснован гидролиз белков при изготовлении напитков из сыворотки. При этом кроме повышения их питательной и биологической ценности (обогащение аминокислотами) улучшается качество (прозрачность и отсутствие осадка) готовых продуктов.

Эффективность гидролиза белков молочной сыворотки различными протеолитическими ферментами приведена в табл. 2.26. и показана на рис. 2.40.

Рисунок 2.40.

Рисунок 2.40. – Денситограммы белков молочной сыворотки в процессе гидролиза: 1 - исходная сыворотка; 2 – сыворотка после выдержки в термостате в течение 24 ч при 60 °С; 3 — сыворотка гидролизованная Thermoactinoinyces vulgaris; 4 - сыворотка, гидролизованная Actinomyces vulgaris; 5 - сыворотка, гидролизованная трипсином; 6 - сыворотка, гидролизованная протомезентерином; 7 -сыворотка, гидролизованная медицинским панкреатином; 8 — сыворотка, гидролизованная техническим панкреатином; 9 — сыворотка, гидролизованная кури­ным пепсином; 10 - сыворотка, гидролизованная протофрадином; 11 - сыворот­ка, гидролизованная протоальбином; 12 - сыворотка, гидролизованная проторизином

Таблица 2.26

Таблица 2.27.

По эффективности гидролиза белков молочной сыворотки протео-литические ферменты можно расположить в следующий ряд (% гидролиза):

В процессе гидролиза под действием протеолитических ферментов в молочной сыворотке изменяется количество аминокислот (табл.2.27.)

В гидролизованной протеолитическими ферментами молочной сы­воротке содержится весь набор аминокислот, заметно увеличивается их содержание в сравнении с исходной сывороткой, особенно лейцина и глутаминовой кислоты. Появляются оксиаминокислоты (серии и треонин), двухосновные (гистилин, аргинин), а также ароматические и серосодержащие аминокислоты.

Из молочной сыворотки после гидролиза белков можно готовить сгущенные и сухие обогащенные концентраты.

В последние годы разработаны эффективные способы гидролиза концентратов сывороточных белков, выделенных из молочной сыворотки тепловой денатурацией и ультрафильтрацией. За рубежом на этой основе готовят сухой быстрорастворимый продукт с фирменным назва­нием "Сан-Бол".

В производстве молочного сахара гидролиз белков позволяет улуч­шить его качество и стабилизировать технологический процесс.

На основе ферментации молочной сыворотки можно приготовить белковые гидролизаты для микробиологических исследований.