Реферат: Исследование некоторых физико-химических свойств протеиназы Penicillium wortmannii

Отмечается, что в зависимости от применяемого осадителя выход фермента бывает различным. Так при использовании различных органических растворителей в концентрации 80% , выход протеолитических ферментов составил: 56% - для этанола, 78% - изопропанола, 65% - ацетона.

Вместе с тем, сочетание различных осадителей приводит к более полному отделению от сопутствующих веществ. К. А. Калунянц с соавторами [13] для очистки препарата реннинопузилин П10х воспользовались осаждением сульфатом аммония. Полученный осадок растворяли в воде, фракционировали этиловым спиртом. При этом авторам удалось отделить значительную часть сопутствующих белков.

Таким способом получают комплексные ферментные препараты. Их можно применять в народном хозяйстве, не проводя дальнейших этапов очистки. Более полная очистка возможна с помощью таких методов разделения как гельфильтрации на сефадексе, хроматографии на ДЭАЭ-сефадексе, КМ-сефадексе, КМ-целлюлозе, ДЭАЭ-целлюлозе.

Например, протеиназа  Torula thermofila была выделена и очищена в 11 раз в результате диализа препарата, полученного осаждением сульфатом аммония, с последующей гельфильтрацией на сефадексе У-100.

Для разделения коллагеназы и нейтральной протеиназы Achromobacter iophagus препарат, полученный осаждением сульфатом аммония, подвергли диализу, а так же хроматографии на ДЕ-32 целлюлозе.

Наиболее изученные протеолитические ферменты, продуцируемые Bac. Subtilis, получены в кристаллическом состоянии. Схема очистки этих препаратов включает: высаливание сульфатом аммония 75% насыщения с последующим диализом против ацетатного буфера. Затем двух кратное осаждение 67% ацетоном и диализ против трисбуфера с последующей хроматографией на ДЕАЕ-сефадексе А-50 [30].

При разделении нейтральной и щелочной протеиназ Asp. Oryzae ОИТ-5038 использовали осаждение сульфатом аммония 80% насыщения, с последующей хроматографией на ДЕАЕ-целлюлозе и сефадексе У-100.

Для отделения баластных белков и пигментов от протеиназы Asp. Terricola Войнарским разработан метод очистки на биогеле Р-10. В результате активность протеиназы возросла в 30 раз, а содержание пигментов уменьшилось в 100 раз.

В результате ионообменной хроматографии на ДЭАЭ-целлюлозе был получен препарат нейтральной протеиназы  Streptomyces acidoresistous 1403 с десятикратной степенью очистки.

Наиболее эффективным методом выделения и очистки ферментов является афинная хроматография. Метод основан на использовании взаимодействий, аналогичных взаимодействию фермента с субстратом. Как правило, ферменты, полученные с помощью афинной хроматографии, являются гомогенными или смесью изоферментов. Это подтверждается данными электрофокусирования, электрофореза в полиакриламидном геле, определением аминокислотной последовательности [20].

В настоящее время достаточно широко применяется для очистки метод ультрафильтрации растворов ферментов. Преимуществом ультрафильтрации являются отсутствие тепловой инактивации и небольшие энергозатраты. Ультрафильтрация позволяет провести концентрирование раствора без фазового превращения при комнатной температуре, при одновременном освобождении от баластных веществ (пигментов, низкомолекулярных соединений). Например, Рожанская с соавторами [27] с успехом использовали метод ультрафильтрации при очистке протеиназ из Asp. terricola и Streptomyces sp.

Приведённые литературные данные, касающиеся вопросов выделения и очистки протеолитических ферментов, свидетельствуют о том, что сочетание различных методов позволяет получить гомогенные ферментные препараты из культур микроорганизмов. Применение того или иного из них зависит от индивидуальных свойств фермента, конечной цели при его применении, физико-химических факторов.

Анализируя литературные данные, мы пришли к выводу, что молекулярная масса нейтральных протеиназ находится в интервале 20000 – 50000. Все они имеют довольно высокий температурный оптимум, лежащий в интервале 40 – 60oС, оптимальное значение рН 7,0 – 8,0, диапазон стабильности характеризуется значениями рН 5,0 – 10,0. Так нейтральная протеиназа Bac. Subtilis имеет оптимум рН 7,0 и температурный оптимум 52oС. Протеолитические ферменты Bac. Subtilis, выделенные А.А. Глемжай и сотрудниками, имеют несколько оптимумов рН (от 6,5 до 10,5). Молекулярная масса нейтральной протеиназы 38000 – 45000, щелочной – 27000 – 29000.

Препараты протеиназ Pseudomonas aeruginosa 700/75 имеют рН оптимум от 7,5 до 10,0. Протеиназы различных фракций обладали различными рН оптимумами. Фермент с молекулярной массой 28000 имеет оптимум рН 10,5. Уменьшение молекулярной массы коррелировало со снижением оптимума рН. Так, протеиназа с молекулярным весом 20000 характеризуется рН оптимумом  7,0.

Известны термостабильные препараты протеиназ. Для термостабильного фермента, выделенного из Thermoactinomyces thalpophilus максимальная активность обнаружена при рН 6,0 и сохранялась до 70% при изменении рН от 5,0 до 8,0. Оптимальная температура равна 70oС, но через 30 минут выдерживания  при 70oС сохраняется лишь 62% активности [32].

Другая термостабильная нейтральная протеиназа – прототерпин имеет оптимум температуры 79oC, за 60 часов инкубации при 60oС потеря активности не превышает 15%.

Итак, рН оптимум для нейтральных протеиназ варьирует от 6,0 до 8,0, температурный оптимум 40 – 60oС, однако термостабильность ферментов может варьировать в широком диапазоне.

1.4 Расщепление коллагенсодержащего сырья и его применение.

Перспективное направление обработки коллагенсодержащего сырья – его ферментация. Авторами обзора [5] показано, что употребляемые для улучшения качества мяса ферментные препараты должны иметь следующие свойства:

-     вызывать изменение соединительной ткани;

-     слабо действовать на мышечную ткань;

-     иметь возможно более высокий температурный оптимум действия, сохраняя способность частично изменять ткани при тепловой обработке;

-     действовать в слабокислой или нейтральной среде с максимальной активностью;

-     быть безвредным для человека.

Практика применения ферментных препаратов показывает, что не все ферменты, обладающие высокой протеолитической активностью, при обработке мяса дают должный эффект. При этом имеет большое значение оптимум действия ферментов, природа их активаторов и ингибиторов, специфичность к разрыву пептидных связей при гидролизе животных белков.

Известно несколько способов обработки мяса ферментами: инъекции раствора в кровеносную систему животных, шприцевание раствора фермента в шею, поверхностная обработка мяса ферментами, добавление ферментного раствора к мясному фаршу.

Наиболее приемлемым методом для современного производства оказалось шприцевание ферментного раствора в шею. В состав шприцуемого раствора кроме ферментного препарата входит поваренная соль и пищевые добавки.

Характер и глубина изменений внутримышечной соединительной ткани под действием протеолитических ферментов зависит от специфичности протеиназ содержащихся в препаратах. Наиболее глубокие изменения соединительнотканных прослоек происходили под действием фицина, т. к. этот фермент способен гидролизовать нативный эластин при естественном рН мяса. Что касается пищевых ферментных препаратов микробного происхождения, не обладающих коллагеназной и эластазной активностью, то их действие на внутримышечную соединительную ткань ограничивается освобождением коллагеновых волокон от «цементирующего» их основного вещества. Это способствует снижению устойчивости коллагеновых волокон к гидротермическому воздействию и более быстрому размягчению мяса в процессе тепловой обработки.

Проводя биохимическую оценку мяса, все исследователи пришли к единому мнению, что в результате обработки мяса ферментными препаратами перивариваемость его возрастает. Видимо, это связано с наличием в нём белков уже подвергнутых более или менее глубокой деструкции. Особенно это касается коллагена и эластина белков, наиболее трудно расщепляемых пищеварительными ферментами.

Направленное изменение исходных свойств сырья с помощью ферментативной обработки наиболее перспективно в колбасном производстве  при сокращении сроков посола и использования сырья с большим содержанием соединительной ткани.

А.Ф. Невельниченко (1989) предложил способ созревания мясного сырья, предварительно обработанного раствором протеолитических ферментов микробного происхождения (протосубтилин, протомезентерин, прототерризин) методом инъецирования. Такая обработка позволила увеличить выход натуральных полуфабрикатов на 11% за счёт использования для этих целей жёстких частей говяжьих туш.

В США для мягчения соединительной ткани предложено тушу после убоя и разделки шприцевать водным раствором ферментов, содержащим коллагеназу, полученную из Cl. histolyticum и эластазу -  из свиной поджелудочной железы.

Результаты исследований по изучению возможности ферментации коллагенсодержащего сырья в колбасном производстве позволили установить следующее:

- применение протосубтилина Г20х как самостоятельного фермента, так и в комплексе с ЭПЖ, вызывает очень значительные деструктивные изменения, в первую очередь, мышечной ткани односортной говядины, не оказывая должного влияния на соединительную;

- ферментация односортной говядины ЭПЖ способствует улучшению физико-химических свойств этого сырья;

-обработку коллагенсодержащего сырья целесообразно проводить на стадии посола мяса или при составлении фарша перед шприцеванием его в оболочку.

Повышенная резистентность коллагеновых и эластиновых волокон к термической дезагрегации предопределяет ряд пороков готовых изделий. Для снижения этих негативных проявлений используют жиловку этого сырья.

Обобщение результатов исследований, выполненных Н.Н. Липатовым, В.Г. Боресковым и др. позволило предположить, что альтернативой операции жиловки при производстве мясопродуктов из сырья с высокой массовой долей соединительной ткани является биотехнологическая модификация такого сырья за счёт воздействия на него протеолитическими ферментными препаратами, обладающими коллагеназной и эластазной активностью.

Ферментирование сырья с высокой массовой долей соединительной ткани способствует повышению скорости диффузионно-фильтрационного распределения посолочных ингредиентов при посоле такого сырья. Авторами [5] доказано увеличение равномерности распределения хлорида натрия при обработке сырья протеолитическими ферментами.

Особое внимание разработке специальных ферментных препаратов уделяется в последнее время в связи с проблемой максимального привлечения вторичных белковых ресурсов и отходов мясной промышленности и созданием безотходных технологий. Обеспечение устойчивого подъёма в этом направлении может быть достигнуто за счет разработки эффективных микробных препаратов. Способностью синтезировать специфические ферменты, расщепляющие животные белки, обладают многие микроорганизмы. Среди них выделяются виды, эффективно гидролизующие белки типа коллагена, эластина, кератина. Показана возможность применения для этих целей протеолитических ферментов на основе Bacillus, Pseudomonas, Streptomyces, Aspergillus, Penicillium.

 При использовании коллагенофильного препарата ферментов из Penicillium wortmannii ВКМ – 2091 степень гидролиза коллагенов достигает 60 – 65%.           

Анализ гидролизатов указывает на богатый набор и высокое содержание свободных аминокислот: пролина, цистина, валина, аланина, изолейцина, лейцина, фенилаланина, лизина, серина, глутаминовой и аспарагиновой кислот. При этом перевариваемость сырья увеличивается в 2,0 – 2,5 раза. Такие гидролизаты являются прекрасной основой для получения пищевых добавок, модифицированных продуктов и кормовых концентратов.

Ряд методов получения ферментативных гидролизатов предложен французскими исследователями, которые использовали ферменты животного (панкреатин, трипсин, химотрипсин), растительного (фицин, бромелаин, папаин) и микробного (B. subtilis  Str. fradiae  Str. griseus) происхождения.

В Германии получают гидролизаты из малоценных продуктов переработки тушек птицы. В измельчённое сырьё вносят препараты из B. subtilis, A. оryzae, P. latex, A. melleus. Гидролизат сушат и используют для приготовления супов. При этом потери аминокислот, в частности, лизина, минимальны.

Зарубежные авторы разработали способы получения пищевых гидролизатов путём автолиза сырья содержащимися в нём ферментами. Рекомендовано также получать пищевые гидролизаты из костного остатка после механической обвалки тушек птицы. Согласно этому способу для получения гидролизатов используют микробные протеолитические препараты из B. subtilis, P. latex, A. melleus.

Для более эффективного гидролиза белков животного происхождения предлагается ряд комбинированных способов. При этом применяется предварительная кислотная или щелочная обработка, а затем – ферментативный гидролиз.

В последнее время вырос практический интерес к  способам рационального использования малоценных коллагенсодержащих продуктов убоя птицы для получения белковых гидролизатов, которые находят применение не только как компонент пищи, но и как диетический продукт для лечебного питания. Отечественными исследователями проведены работы и достигнуты хорошие результаты по получению гидролизатов из голов и ног сухопутной птицы. Для ферментативной обработки с последующим получением белково-жировой эмульсии предлагается использование препаратов ферментов из P. wortmannii ВКМ-2091 и Str. chromogenes graecus 0832, которые соответственно в большей степени обладают коллагеназной и кератинолитической активностями.

Конкретные условия гидролиза, определённые с помощью методов математической статистики, легли в основу нового способа получения белково-жировой добавки – заменителя основного сырья в рецептурах фаршевых мясных изделий. Способ заключается в следующем: промытые свежие ноги и головы сухопутной птицы измельчают, а затем гомогенизируют с добавлением воды. Это необходимо для разрушения тканевых структур и частичной механической деструкции особенно прочных белков – коллагена и кератина. Измельчённое сырьё (гомогенаты) нагревают до 80 – 90оС для частичной деструкции упроченных белков. Затем сырьё подвергают ферментативной обработке.

Подготовленные гомогенаты сырья охлаждают и вносят специфическую энзимную композицию на основе микробных препаратов. В результате максимально образуются водорастворимые белковые фракции, перивариваемость гидролизата в 2,0 – 2,5 раза выше, чем исходного сырья.

Изготовленные в соответствии с рекомендациями и технологическими инструкциями готовые изделия имеют хороший товарный вид, высокие вкусовые свойства и биологическую ценность при увеличении выхода на 1,5 – 3,0%.

Аспекты применения на пищевые цели специфического коллагенсодержащего сырья – шквары, получаемой в виде отхода при вытопке жиров и содержащей 22 – 44% белков (в основном коллагенов), известны [3].

Гомогенизированная шквара – ценное белковое сырьё. В её составе присутствуют такие незаменимые аминокислоты, как валин, лизин, фенилаланин. Для улучшения функционально-технологических свойств шквары также целесообразно применение ферментов, специфичных к гидролизу фибриллярных белков. В нейтральной зоне рН при умеренных температурах наиболее эффективными оказались протеолитические препараты глубинной культуры микромицета Penicillium wortmannii.

Полученный гидролизат отличается следующими показателями: значительная доля свободных аминокислот и общие изменения во фракционном составе белков.

В результате нарушения белково-липидных комплексов создаются условия для дополнительного получения жира.

Возможности гидролизатов различного коллагенсодержащего сырья имеют огромные перспективы при получении специальных продуктов питания, в том числе профилактических.

Применение ферментных препаратов при обработке кожевенного сырья является одним из перспективных методов совершенствования технологических процессов кожевенного производства.

Присутствие в шкуре растворимых и нерастворимых компонентов различной химической природы, многоступенчатая структурная организация основного белка шкуры – коллагена – определяют сложный характер реакций при ферментативной обработке.

Среди подготовительных процессов кожевенного производства наиболее трудоёмким является обезволашивание. Наиболее перспективным для всех видов сырья показало себя обезволашивание с помощью ферментов. В достижении эффекта обезволашивания установлена целесообразность применения ферментов, действующих на разные классы соединений дермы – белки, углеводы, жировые вещества, ведущее место среди которых принадлежит специальным протеазам. Основной фактор ускорения процесса – изменение структуры дермы, способствующее увеличению её проницаемости и пористости, скорости проникания фермента к волосяной сумке.

Одним из направлений в проведении ферментативных обработок является применение композиций ферментных препаратов.

Благодаря ферментативным обработкам, потери коллагена на 20 – 30% меньше, чем при традиционных методах, при этом из шкуры удаляется основная масса неколлагеновых белков, углеводов, аминосахаров и происходит разделение структурных компонентов коллагена. Это позволяет проводить последующее золение в более мягких условиях, с уменьшением концентрации химических реагентов и длительности процесса.

Важной операцией в получении мягкой кожи с гладкой шелковистой лицевой поверхностью, является процесс мягчения голья. В процессе мягчения под действием ферментов в голье происходит:

-     разложение кератозы, удаление её и других продуктов распада белков, гидролиз остатков эпидермиса, гидролиз и удаление межволоконных веществ, эмульгирование и удаление липидов;

-     видоизменение эластиновых волокон;

-     разделение коллагеновых волокон на отдельные фибриллы.

          Одним из направлений совершенствования процесса мягчения является использование ферментных препаратов, действующих в кислой среде, что даёт возможность объединить в один процесс мягчение и пикелевание. Мягчение в кислой среде способствует получению однородного грифа и текучести по всей площади кожи.

Из-за ряда существенных преимуществ, предпочтение отдаётся микробным препаратам. Среди них положительно опробированны препараты, полученные из грибов Aspergillus, бактерий Bacillus, актиномицетов [1,4].

В результате отбора микробных продуцентов авторами [5] предложены Penicillium wortmannii ВКМ – 2091 и Streptomyces chromogenes s.graecus 0832. Установлено, что Str. chromogenes наиболее кератинофилен, однако по уровню коллагеназной активности этот продуцент был ниже промышленного B. subtilis. Высоким уровнем коллагеназной и кератиназной активности при гидролизе пера отличаются протеолитические комплексы ферментов P. wortmannii, включающие две специфические протеиназы с различными физико-химическими свойствами, удовлетворяющие требованиям мясной промышленности [2].

Целенаправленное применение комплекса ферментов открыло перспективы к созданию принципиально нового подхода к обработке кишечного сырья для получения натуральной колбасной оболочки. При этом трудоёмкие процессы механической обработки возможно заменить применением ферментных препаратов.

Известно, что серозный слой, подлежащий удалению, включает жировые и белковые компоненты. Для их разрушения разработан в Московской государственной технологической академии пищевых производств и получен в опытно-промышленных условиях препарат путём высушивания культуральной жидкости Rhizopus oryzae.  

Сравнительные гистологические исследования тканей кишечного сырья, обработанного механическим и ферментативным способами, показали полностью идентичную структуру. Однако в случае ферментативной обработки поверхность не деформирована, на ней полностью отсутствуют штрихи, порезы и другие механические дефекты.

Разработанное техническое решение имеет ряд преимуществ: полностью заменяется сложное электромеханическое оборудование по разрыхлению и удалению серозных слоёв (шляма), отсутствуют разрывы кишок, повышается качество сырья, улучшаются условия труда.

Основной задачей получения коллагеновых масс является максимальная очистка исходного сырья и выделение целевого продукта – коллагена – в свободном от примесей виде. В качестве ферментных препаратов используют прототерризин П10х (источник Asp. terricoba) или протосубтилин Г10х (источник Bac. subtilis). Способ характеризуется высокой степенью очистки исходного сырья от балластных компонентов под действием ферментов микробиального происхождения, их низкой себестоимостью, высокой степенью экологичности производства.

Сложность и трудоёмкость приготовления препаратов ферментов, потеря значительной доли коллагена в результате неполной его экстракции и денатурации под влиянием повышенной температуры, действующей длительное время, снижают значение методов обработки коллагена протеолитическими ферментами животного и растительного происхождения. Новые перспективы и реальная возможность внедрения биотехнологических методов в производство возникает при использовании микробных ферментных препаратов, отличающихся высокой стабильностью, возможностью варьировать специфику биохимических свойств. Было проведено изучение эффективности ферментативного гидролиза балластных компонентов различных коллагенсодержащих источников с применением ряда микробных препаратов: протосубтилина, протомегетерина, липоризина, выделенных из соответствующих микроорганизмов (B. subtilis, B. megaterium, R. oryzae).

Таким образом, для мясной промышленности наибольшую перспективу имеют микробные ферментные препараты и клетки, характерные специфической активностью в отношении фибриллярных белков упроченной структуры.

Оценка эффективности биотехнологий переработки коллагенсодержащего сырья предполагает экономию 10 – 20% основного сырья при получении полноценных мясных продуктов и 70 – 100% - в случае выработки искусственных оболочек и плёнок.

Применение специфических ферментных препаратов и клеток позволяет осуществить принципиально новые технологии глубокой и комплексной переработки основного, вторичного сырья и не пищевых отходов с реализацией режимов в естественных диапазонах температуры, рН среды и давления, минимальными энергозатратами, без дополнительных капитальных вложений и нежелательных экологических воздействий.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Определение величины рН.

Величину рН определяли потенциометрически на рН-метре ЛПУ-01. Для измерений значений рН растворов в температуре отличной от 20oС, применяли автоматическую компенсацию.

2.2 Метод определения протеолитической активности.

Протеолитическую активность (ПА) определяли по ГОСТ 20264.2-74 [12]. Субстратом служил 2% раствор казеината натрия, к которому добавляли 2см3  раствора фермента и помещали в ультратермостат при температуре 30oС. После проведения гидролиза в течение 10 минут в опытную пробирку приливали 4см3  раствора трихлоруксусной кислоты. Выдерживали ещё 20 минут при температуре 30oС. Затем фильтровали в сухие пробирки. К 1см3  фильтрата добавляли 5см3  0,5М раствора карбоната натрия, перемешивали и добавляли 1см3  рабочего раствора Фолина. Через 30 минут измеряли оптическую плотность раствора на ФЭКе КФК-2 при 670 нм в кюветах с поглощающим свет слоем 10 мм против контроля. За единицу ПА принимают такое количество фермента, которое за 1 минуту при 30oС катализировало переход в неосаждаемые трихлоруксусной кислотой продукты гидролиза казеината натрия в количестве, соответствующем 1 ммолю тирозина (1ммоль тирозина равен 0,181мг).

2.3 Определение коллагеназной активности.

Коллагеназную активность определяли по содержанию оксипролина в смеси, образовавшегося в результате действия фермента на нативный коллаген. С этой целью готовили реактив для окисления: 28,2 г хлорамина Т растворяли в 40см3  воды для получения 0,05М концентрации, добавляли 60см3  ацитат-цитратного буфера с рН 6,0. К 2см3  анализируемой пробы, содержащей 2 - 20 см3  оксипролина, приливали 1мл реактива для окисления, встряхивали и оставляли на 20 минут при комнатной температуре. Затем в смесь вносили 2 – 1 см3  4М хлорной кислоты, встряхивали и через 5 минут приливали 3см3  10% раствора n-диметиламинобензальдегида в метилцеллосольфе. Пробу нагревали 15 минут в водяной бане при 150оС и после охлаждения фотометрировали с зелёным светофильтром на ФЭК-56М (555нм).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5