¿Cuáles son los factores que afectan a la eficacia del uso de enzimas y su aplicación en la industria alimentaria?
A medida que la gente presta cada vez más atención a la seguridad alimentaria, la nutrición, la salud y el sabor, la comida ya no es solo una necesidad básica para satisfacer la supervivencia de las personas, sino que la industria alimentaria se está desarrollando en la dirección de ser más segura, nutritiva y deliciosa. En la búsqueda de una vida ecológica baja en carbono, la preparación de enzimas con alta eficiencia, seguridad, efectos secundarios no tóxicos y un pequeño impacto en el medio ambiente y otras características, penetra en todos los aspectos de nuestras vidas. Por ejemplo, el pan que comemos, el pan al vapor, el zumo, las bebidas, los condimentos para salteados, las manos con documentos en papel pueden utilizarse en preparaciones enzimáticas.
La enzima, como catalizador biológico altamente eficiente, tiene ventajas únicas frente a los agentes químicos tradicionales, y se utiliza cada vez más en la industria alimentaria. En la actualidad, la industria de las enzimas se ha convertido en una de las industrias emergentes más prometedoras de China. Por lo tanto, es de gran importancia reconocer la naturaleza química de los preparados enzimáticos para su uso razonable y correcto. A continuación, presentamos brevemente varios factores que afectan al efecto catalítico de los preparados enzimáticos.
01 Factores que afectan al uso de preparados enzimáticos
I. Influencia del valor de pH
Cada tipo de enzima solo muestra una alta vitalidad en un rango de pH específico, que es el valor de pH óptimo para la acción enzimática. En términos generales, la enzima es más estable en el valor de pH óptimo, por lo que el valor de pH de la acción enzimática es también su valor de pH estable. Si el valor de pH de la reacción enzimática es demasiado alto o demasiado bajo, la enzima se dañará irreversiblemente y la estabilidad y vitalidad disminuirán o incluso se inactivarán. Las diferentes enzimas tienen diferentes rangos óptimos de pH, incluyendo ácido, neutro y alcalino. Por ejemplo, según el pH óptimo de la acción de la proteasa, a menudo dividido en proteasa ácida, proteasa neutra y proteasa alcalina. El pH de la acción enzimática es también un parámetro medido bajo ciertas condiciones. Diferentes temperaturas o sustratos, el pH óptimo de la acción enzimática es diferente, cuanto más alta es la temperatura, más estrecho es el rango de pH estable de la acción enzimática. Por lo tanto, en el proceso de reacción catalizada por enzimas, el valor de pH de la reacción debe controlarse estrictamente.
Influencia de la temperatura
En determinadas condiciones, cada enzima tiene una temperatura óptima, en la que la actividad enzimática es máxima, el efecto es mejor y la enzima es más estable, la velocidad de la reacción catalizada por la enzima aumenta y la pérdida de actividad enzimática alcanza el equilibrio de la desnaturalización térmica, y esta temperatura es la temperatura óptima de acción de la enzima. Cada enzima tiene una temperatura estable a la que la enzima es estable, y la enzima es estable a una determinada hora, pH y concentración de enzima, con poca o ninguna disminución de la actividad, y esta temperatura es la temperatura estable de la enzima. Por encima de la temperatura estable de acción, la enzima se inactivará bruscamente. Esta sensibilidad térmica de la enzima puede expresarse mediante la temperatura crítica de falla Tc, que se refiere a la temperatura a la que la enzima pierde la mitad de su vigor en 1 hora. Por lo tanto, generalmente solo en el rango de temperatura efectivo de la enzima, puede llevar a cabo una acción catalítica efectiva, la temperatura aumenta cada 10 ℃, la velocidad de reacción de la enzima aumenta 1 ~ 2 veces. El efecto de la temperatura en la acción enzimática también está relacionado con el tiempo de su calor, el tiempo de reacción se extiende, la temperatura óptima de la enzima se reducirá. Además, la concentración del sustrato de la reacción enzimática, el tipo de tampón, el activador y la pureza de la enzima y otros factores también harán que la enzima tenga cambios óptimos de temperatura y de temperatura de estabilización.
En tercer lugar, el efecto de la concentración de la enzima y la concentración del sustrato
La concentración del sustrato es el principal factor que determina la velocidad de la reacción catalizada por la enzima, en determinadas condiciones de temperatura, pH y concentración de la enzima. Cuando la concentración del sustrato es muy baja, la velocidad de reacción catalítica de la enzima se acelera rápidamente con el aumento de la concentración del sustrato, y ambas son proporcionales. A medida que aumenta la concentración del sustrato, la velocidad de reacción se ralentiza y ya no aumenta proporcionalmente. La relación entre la concentración del sustrato y la velocidad de la reacción catalizada por la enzima puede expresarse generalmente mediante la ecuación de Mie. A veces la concentración del sustrato es muy alta, pero también debido a la inhibición del sustrato causada por la disminución de la velocidad de reacción de la enzima. Cuando la concentración del sustrato excede en gran medida la concentración de la enzima, la velocidad de reacción catalizada por la enzima es generalmente proporcional a la concentración de la enzima. Además, si la concentración de la enzima es demasiado baja, la enzima a veces falla, impidiendo que la reacción continúe. En las reacciones catalizadas por enzimas que se llevan a cabo en el procesamiento de alimentos, la cantidad de enzima es generalmente mucho menor que la cantidad de sustrato, pero también hay que tener en cuenta el coste de los factores enzimáticos.
Cuarto, la influencia de los inhibidores
Muchas sustancias pueden debilitar, inhibir o incluso destruir la función de la enzima; estas sustancias se denominan inhibidores de enzimas. Tales como iones de metales pesados (Fe3+, Cu2+, Hg+, Pb+, etc.), monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, cationes orgánicos, etilendiamina y ácido tetraacético. En la producción real, comprender y evitar el impacto de los inhibidores en la catálisis enzimática.
Quinto, el efecto del activador
Muchas sustancias tienen la función de proteger y aumentar la actividad enzimática, o de promover la conversión de una proteína enzimática inactiva en una enzima activa; estas sustancias se denominan colectivamente activadores enzimáticos. Los activadores pueden dividirse en tres categorías: la primera categoría son los iones inorgánicos, como Na +, K +, Ca2 +, Mg2 +, Cu2 +, Co2 +, Zn2 + y otros cationes, así como Cl -, NO3 -, PO43 -, SO42 – y otros aniones. La segunda categoría son las sustancias orgánicas con moléculas pequeñas, principalmente vitaminas B y sus derivados. La tercera categoría son las sustancias macromoleculares con propiedades proteicas. El efecto del activador sobre la velocidad de la reacción catalizada por la enzima es similar al de la concentración del sustrato, pero rara vez se utiliza en la producción práctica.
Sexto, la influencia del entorno de conservación
Las preparaciones enzimáticas en un entorno de baja temperatura están inactivas, para hacer que la enzima se conserve a largo plazo sin perder actividad, en 10 ℃ la conservación de la actividad enzimática pierde un 5-10 % / 6 meses, la conservación de la actividad enzimática a temperatura ambiente pierde un 10-15 % / 6 meses. Así que la clave está en el ambiente seco y la baja temperatura. El calor y la luz son fáciles de inactivar la enzima, por lo que la preparación enzimática debe almacenarse en un lugar cerrado a baja temperatura y evitando la luz. Además, cuanto mayor sea el contenido de humedad de la preparación enzimática, más fácil será inactivarla, por lo que la preparación enzimática en polvo general es fácil de almacenar y transportar. Además, algunos iones metálicos también pueden causar la inactivación de la enzima o inhibir su vitalidad, por lo que debe evitarse la elección de iones metálicos en el recipiente para conservar la preparación enzimática.
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Aplicación de diversos preparados enzimáticos en los alimentos
I. Celulasa
Descripción general de la celulasa
Celulasa es un término general para un grupo de enzimas que pueden hidrolizar la celulosa en glucosa. La fuente de celulasa es muy amplia, además de los hongos, una variedad de protozoos, lombrices intestinales, moluscos, lombrices de tierra, crustáceos, insectos, algas, hongos, bacterias y actinomicetos pueden producir celulasa.
Aplicación de la celulasa
01 Aplicación en la producción de cerveza
En el proceso de producción de cerveza, después del uso de celulasa, el almidón y la celulosa pueden convertirse en azúcar, y luego, mediante la descomposición de la levadura, todo se convierte en alcohol, la tasa de alcohol puede aumentar entre un 3 % y un 5 %, y la tasa de utilización de almidón y celulosa puede llegar hasta el 90 %.
Al utilizar celulasa para hidrolizar los posos de la cerveza, la solución enzimática y el residuo pueden utilizarse eficazmente por separado, lo que puede mejorar en gran medida los beneficios económicos y medioambientales de los posos de la cerveza.
02 Aplicación de la elaboración de salsa de soja
La salsa de soja es un producto de hidrólisis de proteasa de soja. La elaboración de la salsa de soja utiliza principalmente enzimas como la proteasa y la amilasa para hidrolizar enzimáticamente las materias primas. Si se vuelve a utilizar celulasa, esta puede hacer que la membrana celular de la soja y otras materias primas se expanda, se ablande y se destruya, de modo que las proteínas y los carbohidratos encerrados en las células puedan liberarse, lo que puede acortar el tiempo de elaboración, aumentar el rendimiento, mejorar la calidad del producto y hacer que aumente el contenido de azúcar reductor de aminoácidos del producto.
03 Aplicación del procesamiento de frutas y verduras
En el proceso de procesamiento de frutas y verduras, para que el tejido vegetal se ablande y se expanda, se suele utilizar el calentamiento y el vapor, el tratamiento con ácidos y álcalis y otros métodos, que provocan la pérdida del sabor y las vitaminas de las frutas y verduras. El procesamiento de frutas y verduras con celulasa puede evitar las deficiencias mencionadas y, al mismo tiempo, ablandar y inflar el tejido vegetal, mejorando así su digestibilidad y su sabor.
04 Aplicación del procesamiento del té
El proceso de producción tradicional del té instantáneo consiste en utilizar agua hirviendo para remojar el té y extraer los ingredientes activos de las células del té, como aminoácidos, azúcar, cafeína, saponinas, polifenoles del té, componentes aromáticos y pigmentos del té, etc., y luego liofilizarlo a baja temperatura. Si primero se utiliza celulasa para tratar adecuadamente las hojas de té, no solo se puede reducir la temperatura de producción de la enzima de inmovilización, acortar el tiempo de extracción y mejorar el sabor del té instantáneo, sino también mejorar el rendimiento.
05 aplicaciones de procesamiento de cultivos oleaginosos
La celulasa también desempeña un papel muy importante en el procesamiento de cultivos oleaginosos. Tradicionalmente, el método de prensado o el método de disolvente orgánico se han utilizado para producir productos oleaginosos, que tienen una mala calidad, un bajo rendimiento, un largo tiempo de operación y, al mismo tiempo, residuos inevitables de disolvente orgánico.
El uso del tratamiento enzimático en lugar del método de disolvente orgánico, por un lado, puede mejorar el rendimiento y la calidad del aceite; por otro lado, el control de las condiciones de reacción enzimática, de modo que la producción y el procesamiento en condiciones más suaves, puede evitar el impacto de condiciones violentas en la calidad del producto. Por lo tanto, el uso de la tecnología enzimática en el campo del procesamiento de productos agrícolas no solo puede mejorar el rendimiento del producto principal, sino también reducir la generación de subproductos y reducir el coste de eliminación de residuos.
Lipasa
Descripción general de la lipasa
La lipasa es un tipo de acilhidrolasa de triacilglicerol, que puede catalizar la descomposición de triglicéridos en diglicéridos, monoglicéridos, glicerol y ácidos grasos, y es un tipo especial de hidrolasa de enlace éster. La lipasa toma el aminoácido como unidad constituyente básica, y solo hay una cadena polipeptídica, y la actividad catalítica está determinada únicamente por la estructura de la proteína. Las lipasas se encuentran en animales, plantas y microorganismos.
Como tipo de catalizador biológico, la lipasa tiene las ventajas comunes de alta eficiencia, alta selectividad y condiciones de reacción suaves de los catalizadores generales, y es un catalizador ecológico, lo que es de gran importancia para el desarrollo científico de la bioquímica, la alimentación y otros campos de la vida y la producción.
Aplicación de la lipasa en el procesamiento de alimentos de fideos
El sabor de los fideos está relacionado principalmente con la proteína, el almidón y la grasa de la harina de trigo, especialmente a través de la orientación de la proteína y la formación de una estructura de malla para producir elasticidad y aumentar la viscoelasticidad de los fideos. En el procesamiento de los fideos, amasar y prensar en muchas direcciones a lo largo de la dirección de calandrado a mano o calandrar durante un largo periodo de tiempo en una sola dirección por medios mecánicos aumentará la elasticidad de los fideos y mejorará la calidad de los fideos, pero el uso de los dos métodos anteriores requiere relativamente mucho tiempo.
En la producción de pasta, se puede añadir agua con lipasa disuelta directamente a la harina y luego dejarla a temperatura ambiente durante un tiempo para el calandrado. En comparación con la adición de proteínas y polisacáridos y otros mejoradores de la harina, la adición de lipasa mejorará en gran medida la calidad del producto, específicamente en los siguientes aspectos: aumentar y mantener la elasticidad, mejorar el rendimiento y mejorar la corteza.
Aplicación de la lipasa en la industria de aceites y grasas
01Hidrólisis enzimática de grasas y aceites
La reacción de generación de ácido graso y glicerol mediante la combinación de aceite y agua bajo la acción de un catalizador se denomina reacción de hidrólisis de grasas, que se utiliza ampliamente en la industria de los ácidos grasos y el jabón. La reacción tradicional de hidrólisis de aceites y grasas utiliza ácidos inorgánicos, álcalis y óxidos metálicos y otros productos químicos como catalizadores, lo que requiere equipos de alta temperatura, presión media y alta, de larga duración y resistentes a la corrosión, y su coste es elevado, el consumo de energía es alto, la seguridad de funcionamiento es deficiente y el color del ácido graso del producto es oscuro o se produce termopolimerización. La hidrólisis enzimática, por otro lado, que utiliza enzimas biológicas como catalizadores, puede superar con precisión las desventajas anteriores y puede ser selectiva, por lo que favorece la reducción de reacciones secundarias y la mejora de la calidad y el rendimiento de los ácidos grasos del producto objetivo.
02Transesterificación enzimática
T
La reacción en la que un éster se mezcla con otro ácido graso o alcohol o éster y se acompaña de un intercambio de acilo para producir un nuevo éster se denomina reacción de intercambio de éster. Entre ellas, las reacciones de intercambio éster-ácido y de intercambio éster-éster pueden cambiar la composición de ácidos grasos y glicéridos de las grasas y aceites, modificando así las propiedades de las grasas y aceites, lo que constituye un medio importante utilizado habitualmente por la industria de grasas y aceites para la modificación de grasas y aceites.
El proceso tradicional de intercambio de ésteres adopta el método químico, y los catalizadores comúnmente utilizados son el sodio metálico o el hidróxido de sodio, el ácido inorgánico, etc. Aunque puede mejorar la propiedad migratoria de los grupos subacilo de los triglicéridos, dará lugar a la aleatoriedad del intercambio y la distribución de los grupos acilo en el sistema de reacción, lo que conducirá al aumento de los subproductos. Si se utiliza una lipasa no específica para catalizar la transesterificación de triglicéridos, se obtienen resultados similares al método químico de transesterificación.
Sin embargo, si se utiliza lipasa 1,3-direccional como catalizador, la migración y el intercambio de grupos acilo se restringen a la posición 1 y la posición 3, de modo que se pueden producir productos específicos que no se pueden obtener mediante transesterificación química, que es precisamente el atractivo único del método de transesterificación enzimática.
Pectinasa
Descripción general de la pectinasa
Pectinasa es un término general para una variedad de enzimas que pueden descomponer sustancias pécticas. Poondla et al. señalaron que la pectinasa tiene el efecto de degradar la pectina de la pared celular, que se utiliza ampliamente en el procesamiento de frutas y en la industria alimentaria.
Pectinasa en la industria alimentaria
01Clarificación de zumos
La mayoría de los zumos de frutas utilizados en bebidas, excepto los zumos de cítricos, se clarifican generalmente durante el procesamiento para evitar la turbidez y la sedimentación en el producto final.
La esencia de la clarificación con pectinasa consta de dos partes: la hidrólisis enzimática de la pectina y la floculación electrostática no enzimática. Cuando la pectina en el jugo bajo la acción de la pectinasa se hidroliza parcialmente, el original se envuelve en parte de las partículas de proteína cargadas positivamente que quedan expuestas, y otras partículas cargadas negativamente chocan, lo que conduce a la aparición de floculación, floculante en el proceso de sedimentación, adsorción, enredo de otras partículas suspendidas en el jugo, a través de la centrifugación, la filtración puede eliminarse, a fin de lograr el propósito de clarificación.
02 Mejorar el rendimiento del zumo de frutas y verduras
Las paredes celulares de las frutas y verduras contienen una gran cantidad de pectina, celulosa, almidón, proteínas y otras sustancias. Después de triturar la pulpa, esta es muy viscosa, lo que dificulta el prensado del zumo y reduce su rendimiento. La tecnología enzimática puede superar estas deficiencias. La pectinasa se utiliza normalmente para acelerar la extracción de zumo y sabor y para eliminar la pectina. La pectinasa no solo puede catalizar la despolimerización de la pectina, reducir eficazmente la viscosidad, mejorar el rendimiento del prensado, aumentar el rendimiento del zumo y el contenido de sólidos solubles, sino también aumentar los componentes aromáticos del zumo, reducir la producción de heces y favorecer los procedimientos de procesamiento posteriores.
03Mejorar la calidad del vino
El uso de pectinasa en la industria vinícola puede aumentar la extracción de pigmentos naturales, mejorar el color y el sabor del vino, aumentar el aroma del vino y producir vino espumoso, lo que desempeña un papel importante en la mejora de la calidad del vino.
IV. Proteasa
Descripción general de la proteasa
La proteasa es una importante preparación enzimática industrial que puede catalizar la hidrólisis de proteínas y polipéptidos, y se encuentra ampliamente en frutas, tallos y hojas de plantas, órganos animales y microorganismos.
En el procesamiento de alimentos, existen tres fuentes diferentes de enzimas que catalizan la degradación de las proteínas alimentarias: proteasas endógenas, proteasas secretadas por microorganismos y preparaciones de proteasas añadidas artificialmente. Algunas de las aplicaciones más importantes de las proteasas en el procesamiento de alimentos incluyen reacciones de hidrólisis de proteínas, reacciones de transproteinación y reacciones de reticulación.
Aplicaciones en la industria cárnica
En el procesamiento de la carne, la carne de animales envejecidos se vuelve áspera y dura después de hervirla, y el sabor de los productos resultantes es muy malo, el uso de proteasas puede ablandar esta carne.
En el proceso de ablandamiento, la proteasa entra en el tejido intermuscular con la solución, descompone la proteína en el tejido conectivo intermuscular y las fibras de colágeno, destruye su estructura molecular y hace que la calidad de la carne se vuelva suave, apetecible, jugosa y fácil de masticar.
Al mismo tiempo, la proteasa también puede actuar sobre las fibras musculares, escindiendo parte de la combinación de proteínas del miocito, de modo que la carne aumenta considerablemente los aminoácidos solubles en agua y el calcio, fósforo, zinc, cobre y hierro solubles en agua, mejorando así eficazmente el sabor y la frescura de la carne. La carne tratada con enzimas puede mantener una frescura de primera clase y normalizar el pH y los índices sensoriales.
Aplicación en harina
La proteasa es un tipo de proteasa neutra, su pH óptimo es de 5,5 a 7,5 y su temperatura óptima es de unos 65 ℃. La proteasa puede hidrolizar la proteína del gluten, cortar el enlace peptídico de la molécula de proteína, debilitar el gluten, suavizar la masa, mejorar la viscoelasticidad, extensibilidad, fluidez y otras propiedades de la masa, para mejorar sus propiedades mecánicas y calidad de horneado, que se utiliza principalmente en galletas y harina especial para pan.
03 Futuras perspectivas de aplicación de diversos preparados enzimáticos
Las enzimas se han utilizado ampliamente en la industria alimentaria. Cabe esperar que con el rápido desarrollo de la propia biotecnología, especialmente la aplicación de la tecnología de ingeniería genética, aumente considerablemente la variedad de preparados enzimáticos que pueden utilizarse en los alimentos.
Por un lado, las exigencias de la gente en cuanto a variedad y calidad de los alimentos siguen mejorando, la aplicación de enzimas hará grandes progresos, en los que el uso de enzimas para producir alimentos funcionales con efectos sobre la salud será un área importante de investigación.
Por otro lado, las expectativas de la gente en cuanto a la seguridad alimentaria también son cada vez mayores, lo que brinda nuevas oportunidades para la aplicación de la tecnología enzimática en el análisis de alimentos y se espera que genere nuevos desarrollos en el futuro.
En la actualidad, los preparados enzimáticos de alta actividad utilizados en el campo del procesamiento de alimentos son generalmente baratos, y su promoción se ha visto limitada en cierta medida. Por lo tanto, la forma de producir preparados enzimáticos de alta actividad y bajo precio se convertirá en una dirección para la investigación futura; y el uso a largo plazo o el reciclaje de preparados enzimáticos representados por enzimas inmovilizadas es también una dirección para reducir el coste de los preparados enzimáticos.
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