Quais são os fatores que afetam a eficácia do uso de enzimas e sua aplicação no setor de alimentos?
À medida que as pessoas prestam cada vez mais atenção à segurança, nutrição, saúde e sabor dos alimentos, estes não são mais apenas uma necessidade básica para satisfazer a sobrevivência das pessoas, mas a indústria alimentícia está se desenvolvendo no sentido de ser mais segura, mais nutritiva e mais saborosa. Na busca por uma vida verde e com baixo teor de carbono, a preparação de enzimas com alta eficiência, segurança, efeitos colaterais não tóxicos e pequeno impacto sobre o meio ambiente e outras características penetram em todos os aspectos de nossas vidas. Por exemplo, o pão que comemos, o pão cozido no vapor, o suco para beber, as bebidas, o tempero para fritar, a mão com documentos em papel podem ser usados em preparações enzimáticas.
A enzima, como um catalisador biológico altamente eficiente, tem suas vantagens exclusivas em vez dos agentes químicos tradicionais e é cada vez mais usada no setor de alimentos. Atualmente, o setor de enzimas se tornou um dos setores emergentes mais promissores da China. Portanto, é de grande importância reconhecer a natureza química da preparação da enzima para o uso razoável e correto da preparação da enzima. Apresentamos brevemente vários fatores que afetam o efeito catalítico das preparações enzimáticas.
01 Fatores que afetam o uso da preparação enzimática
I. Influência do valor de PH
Cada tipo de enzima só apresenta alta vitalidade em uma faixa de pH específica, que é o valor de pH ideal para a ação da enzima. De modo geral, a enzima é mais estável no valor de pH ideal, portanto, o valor de pH da ação da enzima também é seu valor de pH estável. Se o valor do pH da reação enzimática for muito alto ou muito baixo, a enzima será irreversivelmente danificada, e a estabilidade e a vitalidade serão reduzidas ou até inativadas. Diferentes enzimas têm diferentes faixas de pH ideais, incluindo ácido, neutro e alcalino. Por exemplo, de acordo com o pH ideal da ação da protease, geralmente dividida em protease ácida, protease neutra e protease alcalina. O pH da ação enzimática também é um parâmetro medido sob determinadas condições. Em diferentes temperaturas ou substratos, o pH ideal da ação da enzima é diferente; quanto mais alta a temperatura, mais estreita é a faixa de pH estável da ação da enzima. Portanto, no processo de reação catalisada por enzima, o valor do pH da reação deve ser rigorosamente controlado.
Influência da temperatura
Sob certas condições, cada enzima tem uma temperatura ideal, na qual a atividade da enzima é a mais alta, o efeito é o melhor e a enzima é mais estável, a velocidade da reação catalisada pela enzima aumenta e a perda da atividade da enzima atinge o equilíbrio da desnaturação térmica, e essa temperatura é a temperatura ideal da ação da enzima. Cada enzima tem uma temperatura estável na qual a enzima é estável, e a enzima é estável em um determinado tempo, pH e concentração de enzima, com nenhuma ou muito pouca diminuição na atividade, e essa temperatura é a temperatura estável da enzima. Acima da temperatura estável para ação, a enzima será fortemente inativada. Essa sensibilidade térmica da enzima pode ser expressa pela temperatura crítica de falha Tc, que se refere à temperatura na qual a enzima perde metade de seu vigor em 1 hora. Portanto, em geral, somente na faixa de temperatura efetiva da enzima é possível realizar a ação catalítica efetiva; a temperatura aumenta a cada 10 ℃, a taxa de reação da enzima aumenta de 1 a 2 vezes. O efeito da temperatura na ação da enzima também está relacionado ao tempo de seu aquecimento; o tempo de reação é prolongado, a temperatura ideal da enzima será reduzida. Além disso, a concentração do substrato da reação da enzima, o tipo de tampão, o ativador e a pureza da enzima e outros fatores também farão com que a temperatura ideal da enzima e a temperatura de estabilização mudem.
Terceiro, o efeito da concentração da enzima e da concentração do substrato
A concentração de substrato é o principal fator que determina a velocidade da reação catalisada por enzima, sob certas condições de temperatura, pH e concentração de enzima. Quando a concentração do substrato é muito baixa, a velocidade da reação catalítica da enzima é rapidamente acelerada com o aumento da concentração do substrato, e as duas são proporcionais. À medida que a concentração de substrato aumenta, a taxa de reação fica mais lenta e não aumenta mais proporcionalmente. A relação entre a concentração de substrato e a taxa de reação catalisada por enzima geralmente pode ser expressa pela equação de Mie. Às vezes, a concentração de substrato é muito alta, mas também devido à inibição do substrato causada pela diminuição da taxa de reação da enzima. Quando a concentração do substrato excede em muito a concentração da enzima, a taxa de reação catalisada pela enzima é geralmente proporcional à concentração da enzima. Além disso, se a concentração da enzima for muito baixa, a enzima às vezes falha, impedindo a continuação da reação. Nas reações catalisadas por enzimas realizadas no processamento de alimentos, a quantidade de enzima geralmente é muito menor do que a quantidade de substrato, mas também é preciso considerar o custo dos fatores da enzima.
Quarto, a influência dos inibidores
Muitas substâncias podem enfraquecer, inibir ou até mesmo destruir a função da enzima, essas substâncias são chamadas de inibidores de enzimas. Tais como íons de metais pesados (Fe3+, Cu2+, Hg+, Pb+, etc.), monóxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, cátions orgânicos, etilenodiamina e ácido tetraacético. Na produção real, para entender e evitar o impacto dos inibidores na catálise enzimática.
Em quinto lugar, o efeito do ativador
Muitas substâncias têm a função de proteger e aumentar a atividade enzimática, ou de promover a transformação de uma proteína enzimática inativa em uma enzima ativa; essas substâncias são chamadas coletivamente de ativadores enzimáticos. Os ativadores podem ser divididos em três categorias: a primeira categoria é a de íons inorgânicos, como Na +, K +, Ca2 +, Mg2 +, Cu2 +, Co2 +, Zn2 + e outros cátions, bem como Cl -, NO3 -, PO43 -, SO42 - e outros ânions. A segunda categoria é a de substâncias orgânicas com moléculas pequenas, principalmente vitaminas B e seus derivados. A terceira categoria é a de substâncias macromoleculares com propriedades proteicas. O efeito do ativador na velocidade da reação catalisada pela enzima é semelhante ao da concentração do substrato, mas raramente é usado na produção prática.
Em sexto lugar, a influência do ambiente de preservação
As preparações enzimáticas em ambiente de baixa temperatura ficam dormentes, para que a enzima seja preservada a longo prazo sem perder a atividade, em uma preservação de 10 ℃ da perda de atividade enzimática de 5-10% / 6 meses, em uma preservação de temperatura ambiente da perda de atividade enzimática de 10-15% / 6 meses. Portanto, a chave está no ambiente seco e de baixa temperatura. O calor e a luz podem facilmente tornar a enzima inativa, portanto, a preparação da enzima deve ser armazenada em um local fechado, em baixa temperatura e evitando a luz. Além disso, quanto maior o teor de umidade da preparação enzimática, mais fácil será sua inativação, de modo que a preparação enzimática em pó em geral é fácil de armazenar e transportar. Além disso, alguns íons metálicos também podem causar a inativação da enzima ou inibir a vitalidade da enzima, portanto, deve-se evitar a escolha de íons metálicos no recipiente para economizar a preparação da enzima.
02
Aplicação de várias preparações enzimáticas em alimentos
I. Celulase
Visão geral da celulase
Celulase é um termo geral para um grupo de enzimas que podem hidrolisar a celulose em glicose. A fonte de celulase é muito ampla, além de fungos, uma variedade de protozoários, lombrigas, moluscos, minhocas, crustáceos, insetos, algas, fungos, bactérias e actinomicetos podem produzir celulase.
Aplicação da celulase
01 Aplicação na produção de cerveja
No processo de produção de cerveja, após o uso da celulase, o amido e a celulose podem ser convertidos em açúcar e, em seguida, pela decomposição da levedura de todos os convertidos em álcool, a taxa de álcool pode ser aumentada de 3% a 5%, a taxa de utilização do amido e da celulose pode chegar a 90%.
Usando a celulase para hidrolisar a borra de cerveja, a solução enzimática e o resíduo podem ser efetivamente usados separadamente, o que pode melhorar muito os benefícios econômicos e ambientais da borra de cerveja.
02 Aplicação da fabricação de molho de soja
O molho de soja é um produto de hidrólise de protease de soja. A produção de molho de soja utiliza principalmente enzimas como protease e amilase para hidrolisar enzimaticamente as matérias-primas. Se a celulase for usada novamente, ela pode fazer com que a membrana celular da soja e de outras matérias-primas se expanda, amoleça e seja destruída, de modo que as proteínas e os carboidratos contidos nas células possam ser liberados, o que pode encurtar o tempo de fermentação, aumentar o rendimento, melhorar a qualidade do produto e aumentar o teor de aminoácidos e açúcar redutor do produto.
03Aplicação do processamento de frutas e vegetais
No processo de processamento de frutas e vegetais, para fazer com que o tecido vegetal amoleça e se expanda, geralmente usa-se aquecimento e cozimento a vapor, tratamento ácido e alcalino e outros métodos, o que causará a perda do sabor e das vitaminas das frutas e vegetais. O processamento de frutas e vegetais com celulase pode evitar as deficiências acima e, ao mesmo tempo, fazer com que o tecido vegetal fique macio e inchado, melhorando assim sua digestibilidade e o sabor.
04 Aplicação do processamento de chá
O processo tradicional de produção de chá instantâneo consiste em usar água fervente para deixar o chá de molho e extrair os ingredientes ativos das células do chá, como aminoácidos, açúcar, cafeína, saponinas, polifenóis do chá, componentes e pigmentos do aroma do chá, etc., e depois liofilizar em baixa temperatura. Se a celulase for usada para tratar adequadamente as folhas de chá primeiro, ela poderá não apenas reduzir a temperatura de produção da enzima de imobilização, encurtar o tempo de extração, melhorar o sabor do chá instantâneo, mas também aumentar o rendimento.
05 aplicações de processamento de culturas oleaginosas
A celulase também desempenha um papel muito importante no processamento de culturas de sementes oleaginosas. Tradicionalmente, o método de prensagem ou o método de solvente orgânico tem sido usado para produzir produtos oleaginosos, que têm qualidade ruim, baixo rendimento, longo tempo de operação e, ao mesmo tempo, resíduos inevitáveis de solvente orgânico.
O uso do tratamento enzimático em vez do método de solvente orgânico, por um lado, pode melhorar o rendimento e a qualidade do óleo; por outro lado, o controle das condições de reação enzimática, de modo que a produção e o processamento em condições mais brandas, pode evitar o impacto de condições violentas na qualidade do produto. Portanto, o uso da tecnologia enzimática no campo do processamento de produtos agrícolas pode não apenas melhorar o rendimento do produto principal, mas também reduzir a geração de subprodutos e o custo do descarte de resíduos.
Lipase
Visão geral da lipase
A lipase é um tipo de triacilglicerol acil hidrolase, que pode catalisar a decomposição de triglicerídeos em di-glicerídeo, monoglicerídeo, glicerol e ácido graxo, e é um tipo especial de hidrolase de ligação de éster. A lipase usa o aminoácido como unidade constituinte básica, e há apenas uma cadeia polipeptídica, e a atividade catalítica é determinada apenas pela estrutura da proteína. As lipases são encontradas em animais, plantas e microorganismos.
Como um tipo de catalisador biológico, a lipase tem as vantagens comuns de alta eficiência, alta seletividade e condições de reação moderadas dos catalisadores gerais, além de ser um catalisador verde, de grande importância para o desenvolvimento científico da bioquímica, dos alimentos e de outros campos da vida e da produção.
Aplicação de lipase no processamento de alimentos para macarrão
O sabor dos produtos de macarrão está relacionado principalmente à proteína, ao amido e à gordura da farinha de trigo, especialmente por meio da orientação da proteína e da formação de uma estrutura de malha para produzir elasticidade e aumentar a viscoelasticidade do macarrão. No processamento de alimentos de macarrão, amassar e pressionar em várias direções ao longo da direção de calandragem manualmente ou calandrar por um longo período de tempo em uma única direção por meios mecânicos aumentará a elasticidade do macarrão e melhorará a qualidade do alimento de macarrão, mas o uso dos dois métodos acima é relativamente demorado.
Na produção de macarrão, a água com lipase dissolvida nela pode ser adicionada diretamente à farinha e, em seguida, deixada em temperatura ambiente por um período de tempo para calandragem. Em comparação com a adição de proteínas e polissacarídeos e outros melhoradores de farinha, a adição de lipase melhorará muito a qualidade do produto, especificamente nos seguintes aspectos: aumentar e manter a elasticidade, melhorar o rendimento, melhorar a crosta.
Aplicação da lipase na indústria de óleo e gordura
01Hidrólise enzimática de gorduras e óleos
A reação de geração de ácido graxo e glicerol por meio da combinação de óleo e água sob a ação de um catalisador é chamada de reação de hidrólise de gordura, amplamente utilizada no setor de ácido graxo e sabão. A reação tradicional de hidrólise de óleos e gorduras utiliza ácidos inorgânicos, álcalis, óxidos metálicos e outros produtos químicos como catalisadores, o que exige alta temperatura, pressão média e alta, tempo prolongado e equipamentos resistentes à corrosão, além de alto custo, alto consumo de energia, baixa segurança operacional e cor escura do ácido graxo ou ocorrência de termopolimerização. A hidrólise enzimática usando enzimas biológicas como catalisadores, por outro lado, pode superar com precisão as desvantagens acima e pode ser seletiva, de modo que é propícia para reduzir as reações colaterais e melhorar a qualidade e o rendimento dos ácidos graxos do produto-alvo.
02Transesterificação enzimática
A reação na qual um éster é misturado com outro ácido graxo, álcool ou éster e acompanhada de troca de acila para produzir um novo éster é chamada de reação de troca de éster. Entre elas, as reações de troca éster-ácido e troca éster-éster podem alterar a composição de ácidos graxos e glicerídeos de gorduras e óleos, alterando, assim, as propriedades de gorduras e óleos, o que é um meio importante comumente usado pelo setor de gorduras e óleos para a modificação de gorduras e óleos.
O processo tradicional de troca de ésteres adota o método químico, e os catalisadores comumente usados são metal de sódio ou hidróxido de sódio, ácido inorgânico, etc. Embora possa melhorar a propriedade migratória dos grupos subacil de triglicerídeos, isso resultará na aleatoriedade da troca e da distribuição dos grupos acil no sistema de reação, o que levará ao aumento dos subprodutos. Se uma lipase não específica for usada para catalisar a transesterificação de triglicerídeos, serão obtidos resultados semelhantes aos do método químico de transesterificação.
No entanto, se a lipase 1,3-direcional for usada como catalisador, a migração e a troca de grupos acila ficam restritas à posição 1 e à posição 3, de modo que produtos-alvo específicos que não podem ser obtidos por transesterificação química podem ser produzidos, o que é exatamente a atração exclusiva do método de transesterificação enzimática.
Pectinase
Visão geral da pectinase
Pectinase é um termo geral para uma variedade de enzimas que podem decompor substâncias de pectina. Poondla et al. destacaram que a pectinase tem o efeito de degradar a pectina da parede celular, que é amplamente usada no processamento de frutas e na indústria alimentícia.
Pectinase na indústria alimentícia
01Esclarecimento sobre o suco
A maioria dos sucos de frutas usados em bebidas, exceto os sucos cítricos, geralmente é clarificada durante o processamento para evitar turbidez e sedimentação no produto final.
A essência da clarificação da pectinase consiste em duas partes: hidrólise enzimática da pectina e floculação eletrostática não enzimática. Quando a pectina no suco, sob a ação da pectinase, é parcialmente hidrolisada, o original foi envolvido em parte das partículas de proteína carregadas positivamente e outras partículas carregadas negativamente são expostas, o que leva à ocorrência de floculação, floculante no processo de sedimentação, adsorção, emaranhamento de outras partículas suspensas no suco, por meio de centrifugação e filtração, que podem ser removidas, de modo a atingir o objetivo de clarificação.
02 Melhore o rendimento do suco de frutas e vegetais
As paredes celulares de frutas e vegetais em geral contêm um grande número de pectina, celulose, amido, proteína e outras substâncias. Após o esmagamento, a polpa fica muito viscosa, o que dificulta a prensagem do suco e diminui o rendimento do suco, e a tecnologia enzimática pode superar as deficiências acima. A pectinase é normalmente usada para acelerar a extração do suco e do sabor e para remover a pectina. A pectinase pode não apenas catalisar a despolimerização da pectina, reduzir efetivamente a viscosidade, melhorar o desempenho da prensagem, aumentar o rendimento do suco e o teor de sólidos solúveis, mas também aumentar os componentes aromáticos do suco, reduzir a produção de resíduos, mas também favorecer os procedimentos de processamento subsequentes.
03Melhorar a qualidade do vinho
O uso da pectinase na indústria de vinificação pode aumentar a extração de pigmentos naturais, melhorar a cor e o sabor do vinho, aumentar o aroma do vinho e produzir vinho espumante, o que tem um papel importante na melhoria da qualidade do vinho.
IV. Protease
Visão geral da protease
A protease é uma importante preparação enzimática industrial que pode catalisar a hidrólise de proteínas e polipeptídeos, e é amplamente encontrada em frutas, caules e folhas de plantas, órgãos de animais e microrganismos.
No processamento de alimentos, há três fontes diferentes de enzimas que catalisam a degradação das proteínas dos alimentos: proteases endógenas, proteases secretadas por microrganismos e preparações de proteases adicionadas artificialmente. Algumas das aplicações mais importantes das proteases no processamento de alimentos incluem reações de hidrólise de proteínas, reações de transproteção e reações de ligação cruzada.
Aplicações no setor de carnes
No processamento de carne, a carne de animais idosos se torna áspera e dura após o cozimento, e o sabor dos produtos produzidos é muito ruim.
No processo de amaciamento, a protease entra no intermuscular com a solução, decompõe a proteína no tecido conjuntivo intermuscular e nas fibras de colágeno, destrói sua estrutura molecular e faz com que a qualidade da carne se torne macia, palatável, suculenta e fácil de mastigar.
Ao mesmo tempo, a protease também pode agir sobre as fibras musculares, clivando parte da combinação de proteínas dos miócitos, de modo que a carne de aminoácidos solúveis em água e cálcio, fósforo, zinco, cobre e ferro solúveis em água aumentam consideravelmente, de modo que o sabor e o frescor da carne melhoram efetivamente. A carne tratada com enzimas ainda pode manter o frescor de primeira classe e normalizar o pH e os índices sensoriais.
Aplicação em farinha
A protease é um tipo de protease neutra, seu pH ideal é de 5,5 a 7,5 e sua temperatura ideal é de cerca de 65°C. A protease pode hidrolisar a proteína do glúten, cortar a ligação peptídica da molécula de proteína, enfraquecer o glúten, tornar a massa macia, melhorar a viscoelasticidade, a extensibilidade, a fluidez e outras propriedades da massa, de modo a melhorar suas propriedades mecânicas e a qualidade do cozimento, que é usada principalmente em biscoitos e farinha especial para pão.
03Perspectivas de aplicação futura de várias preparações enzimáticas
As enzimas têm sido amplamente utilizadas no setor de alimentos. É de se esperar que, com o rápido desenvolvimento da própria biotecnologia, especialmente a aplicação da tecnologia de engenharia genética, a variedade de preparações enzimáticas que podem ser usadas em alimentos aumente muito.
Por um lado, as exigências das pessoas em relação à variedade e à qualidade dos alimentos continuam a melhorar, e a aplicação de enzimas terá um grande progresso, no qual o uso de enzimas para produzir alimentos funcionais com efeitos sobre a saúde será uma importante área de pesquisa.
Por outro lado, a expectativa das pessoas em relação à segurança dos alimentos também está aumentando cada vez mais, o que traz novas oportunidades para a aplicação da tecnologia de enzimas em testes de alimentos e espera-se que haja um novo desenvolvimento no futuro.
Atualmente, as preparações enzimáticas de alta atividade usadas no campo do processamento de alimentos são geralmente baratas, e sua promoção tem sido limitada até certo ponto. Portanto, como produzir preparações enzimáticas de alta atividade e baixo preço se tornará uma direção para pesquisas futuras; e o uso a longo prazo ou a reciclagem de preparações enzimáticas representadas por enzimas imobilizadas também é uma direção para reduzir o custo das preparações enzimáticas.
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