WYDZIAŁ NAUK O ŻYWNOŚCI I RYBACTWA
CENTRUM BIOIMMOBILIZACJI I INNOWACYJNYCH
MATERIAŁÓW OPAKOWANIOWYCH
ENZYMOLOGIA
Kierunek:
Technologia Żywności
i Żywienie Człowieka
semestr I
Wykład 7
Przegląd najważniejszych enzymów
Zakres materiału ENZYMOLOGIA
1. Biochemia, Autor: Jeremy Berg, Lubert Stryer, John L. Tymoczko,
PWN Warszawa (2005)
Rozdziały:
8. Enzymy:: podstawowe pojęcia i kinetyka
9. Strategie katalityczne
10. Strategie regulacyjne:: enzymy i hemoglobina
2. Ćwiczenia z enzymologii i technik biochemicznych. Bartoszewska, Niziołek,
Paszowski, Wydawnictwo SGGW
3. Handbook of Food Enzymology – ed. John R. Whitaker et al., CRC Press; (2002)
4. Enzymes in Food Technology -‐ ROBERT J. WHITEHURST, BARRY A.
LAW, Editors Sheffield Academic Press CRC Press (2002)
3. Food chemistry -‐ Hans-‐Dieter Belitz, Werner Grosch, Peter
Schieberle, Springer (2004)
Enzymy dzieli się na 6 grup (mechanizm reakcji…):
EC 1 oksydoreduktazy: katalizują reakcje utleniania i redukcji,
EC 2 transferazy: przenoszą grupy funkcyjne,
EC 3 hydrolazy: katalizują hydrolizę różnych wiązań,
EC 4 liazy: rozcinają różne wiązania na drodze innej niż hydroliza czy utlenianie,
EC 5 izomerazy: katalizują zmiany izomeracyjne cząsteczek,
EC 6 ligazy: łączą cząsteczki wiązaniami kowalencyjnymi.
Nazewnictwo/klasyfikacja enzymów EC
• EC1
oksydoreduktazy
-‐ AH
2
+ B → A + BH
2
;
• EC2
transferazy
-‐ AB + C → A + BC;
• EC3
hydrolazy
-‐ AB + H
2
O → A + B;
• EC4
liazy
-‐ AB → A + B;
• EC5
izomerazy
-‐ AB → BA;
• EC6
ligazy
-‐ A + B → AB;
E.C. 1.1.1.1 (E.C. – kod enzymu)
Pierwsza liczba -‐ klasa enzymu lub grupa
Druga liczba – grupa utleniona w donorze
Trzecia liczba – akceptor
Czwarta liczba – nazwa systematyczna (wskazuje działanie)
Nazewnictwo/klasyfikacja enzymów EC
Ok. 4-5%
Oko!o 4100 enzymów sklasyfikowanych
Ponad 80% to enzymy hydrolityczne
20% inne klasy g!ównie
oksydoreduktazy
70% to proteinazy i amylazy
30% inne hydrolazy
Oko!o 100 – 130 enzymów znalaz!o zastosowanie w technologii "ywno#ci
Najważniejsze enzymy w technologii żywności
Jedynie ligazy nie znalazły do tej pory bezpośredniego zastosowania przemysłowego, lecz
są przydatne w inżynierii genetycznej.
TERMOLIZYNA -‐ hydrolza
termostabilna metaloendoproteina (endoproteinaza) (Zn, Ca) z Bacillus
thermoproteoly1cus,
-‐ preferuje hydrolizę wiązań peptydowych Aa/Leu, Aa,Phe,
-‐ katalizuje też syntezę wiązań peptydowych na drodze kondensacji hydrolitycznej,
w większości przypadków reakcje katalizowane przez enzym są ODWRACALNE
(synteza wiązań peptydowych).
Aspartam – zmetylowany dipeptyd
PEKTYNAZY – hydrolazy
hydrolizują wiązania glikozydowi w pektynach,
ułatwiają uwalnianie soków z miazgi, klarowanie soków (usuwanie zmętnień
pektynowych),
pektyny są heteropolisacharydami, składają się głównie z połączonych ze sobą
wiązaniami α–1,4– glikozydowymi jednostek kwasu D–galakturonowego, w
znacznej części zestryfikowanych gr. metylowymi,
!
kwas galakturonowy – powstaje na skutek utleniania α–D–galaktozy,
posiada grupę aldehydową przy C1 i karboksylową przy C6.
β–D–galaktozydaza – hydrolaza
(usuwanie laktozy z mleka
)
Reduktaza diacetylowa (RA) – oksydoreduktaza
Diacetyl + NADH + H
+
↔ NAD + Acetoina
!
Diacetyl (produkcja piwa)
-‐ diketon o nazwie systematycznej 2,3-‐butandion, zapachu maślanym, znajduje się
w piwie jako produkt uboczny fermentacji przez drożdże, przy odpowiednim
stężeniu wykazuje korzystne właściwości – pozwala dłużej odczuwać w ustach
smak piwa,
-‐ w stężeniu większym niż 0,2 mg/l nadaje piwu niekorzystny „maślany posmak”,
powstaje w wyniku przetwarzania cukrów przez drożdże, czasami bakterie w
procesie fermentacji,
-‐ w czasie leżakowania piwa te same drożdże redukują diacetyl do obojętnych
smakowo produktów (acetoina, butandiol).
!
PEPTYDAZY (enzymy proteolityczne, proteazy
)
-‐ katalizują hydrolizę wiązań peptydowych w białkach i peptydach (podstawowe
zadanie),
-‐ należą do klasy 3 – hydrolaz,
-‐ niektóre z nich katalizują ponadto hydrolizę wiązań estrowych i amidowych oraz
reakcję transpeptydacji i transamidacji,
-‐ w odpowiednich warunkach niektóre peptydazy mogą ponadto syntetyzować
wiązanie peptydowe.
Peptydazy – niska specyficzność
substratowa, jednakże charakteryzują
się wybiórczością w stosunku do
położenia rozkładanego wiązania w
łańcuchu
polipeptydowym
oraz
swoistością w stosunku do hydrolizy
wiązań
pomiędzy
określonymi
aminokwasami.
PEPTYDAZY -‐ klasyfikacja
Egzopeptydazy -‐ EC 3.4.11-‐19 (odcinają 1 lub 2 aminokwasy od końca N lub C)
aminopeptydazy EC 3.4.11: odcinające pojedyncze aminokwasy od końca
aminowego,
karboksypeptydazy EC 3.4.16-‐18: odcinające pojedyncze aminokwasy od końca
karboksylowego,
dipeptydazy EC 3.4.14: hydrolizują wiązania peptydowe w dwupetydach,
dwupeptydylo-‐peptydazy lub tripeptydylo-‐peptydazy: odszczepiają jednostki
dwupetydowe lub tripeptydowe od końca N (EC 3.4.14) lub
końca C (EC
3.4.15),
omega peptydazy EC 3.4.19: odcinające różnie podstawione reszty
aminokwasowe.
Egzopeptydazy ważne dla przemysłu spożywczego:
Aminopeptydazy i karboksypeptydazy
Lactococcus lac1s
Aspergillus sp.
Rhizopus oryzae
Zastosowanie: usuwanie gorzkiego smaku z hydrolizatów białkowych, także przy
produkcji sera.
PEPTYDAZY -‐ klasyfikacja
Endopeptydazy (proteinazy) – EC 3.4.21-‐24, EC 3.4.99 (hydrolizują wiązania
wewnątrz łańcucha polipeptydowego)
Na podstawie budowy centrum, wrażliwości na inhibitory oraz mechanizm katalizy
wyróżniono:
serynowe EC 3.4.21
seryna oraz histydyna w centrum aktywnym,
są hamowane przez DFP (diizopropylofluorofosforan)
cysteinowe EC 3.4.22
cysteina i histydyna w centrum aktywnym, wrażliwość na czynniki utleniające,
hamowane przez PCMB (p-‐Chloromercuribenzoic Acid) – reakcja z grupami -‐SH
aspartylowe EC 3.4.23
dwie reszty asparaginianu w centrum aktywnym, aktywność przy niskim pH 1.5-‐5
metaloproteinazy EC 3.4.24
inhibicja przez EDTA
Enzym
EC numer
Preferencyjna hydroliza
x
Serynowe proteazy
chymotrypsyna
trypsyna
subtylizyna
3.4.21
3.4.21.1
3.4.21.4
3.4.21.12
Tyr-, Trp-, Phe-, Leu-
Arg-, Lys-,
G!ównie hydrofobowe
Cysteinowe proteazy
Katepsyna B*
Papaina*
Ficyna*
Bromalina*
3.4.22
3.4.22.1
3.4.22.2
3.4.22.3
3.4.22.32-33
Arg-Arg-, Lys-, Phe-X-
Arg-, Lys-, hydrofobowe-X-
Phe-, Tyr-
Lys-, Arg-, Phe-, Tyr-
Aspartylowe proteazy
Pepsyna
Chymozyna#
3.4.23
3.4.23.1
3.4.23.4
Phe-, Tyr-, Leu-, Asp-, Glu-
Phe1
05
-Met
106
w "-kazeinie
Metaloproteazy
Termolizyna
Neutralne proteinazy
3.4.24
3.4.24.27
3.4.24.28
Ile-, Leu-, Val-, Phe-,
Leu-, Phe-, i inne
Endopeptydazy o znaczeniu przemysłowym
* szeroka specyficzność w stosunku do aminokwasów hydrolizowanego wiązania peptydowego
# specyficzność podobna do pepsyny
x preferencyjna hydroliza
Otrzymywanie i zastosowanie peptydaz roślinnych
Papaina, bromelina, ficyna -‐ wewnątrzkomórkowe proteazy cysteinowe, opymum
pH 5-‐7
Enzym
!ród"o
Skala produkcji
G"ówne zastosowanie
Papaina
Sok z niedojrza!ych owoców
papai
(Carica papaya)
> 10 t/rok
Kruszenie mi"sa, browarnictwo
– usuwanie zm"tnienia piwa
Bromelina
Sok (lateks) z pnia ananasa
< 1 t/rok
Browarnictwo,
kruszenie mi"sa
Ficyna
Sok z niektórych odmian drzew
figowych
g!. Ficus glabrata
< 1 t/rok
Modyfikacja sk!adników
#ywno$ci
Komercyjne otrzymywanie papiny
Zebranie mleczka kauczukowego z niedojrzałych owoców papai
-‐ (nacięcie rano, z 1 drzewa 1 l rocznie, mleczko przypomina wyglądem mleko
krowie, po kilku minutach po wypływie z naciętego owocu ścina się i tworzy żel)
Sch!odzenie
Mieszanie mechaniczne " #el w p!yn
Wst$pna filtracja i odwirowanie
Ultrafiltracja
Klarowny i przezroczysty przes%cz zag$szcza si$ w pró#ni
oraz suszy w suszarni rozpy!owej
Mielenie na proszek i pakowanie
Otrzymywanie i zastosowanie peptydaz zwierzęcych
Zewnątrzkomórkowe enzymy trawienne:
Enzym
!ród"o
Skala produkcji
G"ówne zastosowanie
Chymozyna
!o"#dek m"odych cielaków
> 1 t/rok
Serowarstwo
Pepsyna
!o"#dek $wini
< 1 t/rok
Modyfikacja sk"adników
%ywno$ci, serowarstwo
Trypsyna
Trzustka $wini lub byd"a
< 1 t/rok
Modyfikacja sk"adników
%ywno$ci,
hydrolizaty bia"kowe,
odw"asianie skór
Chymotrypsyna
Trzustka $wini
< 1 t/rok
Modyfikacja sk"adników
%ywno$ci,
odw"asianie skór
Rozdrobnienie i mielenie surowca (wy!ció"ko #o"$dka !wini)
Autoliza !luzówki #o"$dka w obecno!ci HCl
Usuni%cie t"uszczu heksanem
Wysolenie sol$ lub izopropanolem
Rozpuszczenie w wodzie
Filtrowanie, suszenie sublimacyjne (45-55
o
C) w pró#ni
(odparowanie heksanu i izopropanolu)
Mielenie na proszek i pakowanie
Komercyjne otrzymywanie pepsyny przemysłowej
Enzym
!ród"o
Skala produkcji
G"ówne zastosowanie
Neutralne peptydazy
Bacillus subtilis
> 100 t/rok
Hydrolizaty bia!kowe, dodatek
do proszków do prania,
browarnictwo
Kwa"ne peptydazy g!.
koagulaty bia!ek mleka
Rhizmucor miehei
> 10 t/rok
Serowarstwo
Kwa"ne peptydazy
Aspergillus niger,
Aspergillus oryzae
> 1 t/rok
Piekarnictwo,
wytrawianie skór
Otrzymywanie peptydaz z mikroorganizmów
Neutralne proteinazy Bacillus sub1lis; proteinazy serynowe, metaloproteinazy.
Podpuszczka – handlowa nazwa zalecana dla preparatów z żołądków przeżuwaczy
zawierająca głównie chymozyną i w niewielkim stopniu pepsynę (Międzynarodowa
Federacja Mleczarska).
Peptydazy pochodzenia mikrobiologicznego zdolne do koagulacji białek mleka zaleca się
nazywać koagulantami białek mleka.
Hydrolizaty bialkowe
Produkcja hydrolizatów białkowych odbywa się w wyniku enzymatycznej lub kwasowej/
zasadowej hydrolizy białek)
Enzymatyczne modyfikacja składu i właściwości białek -‐ hydrolizaty białkowe
Enzymatyczna hydroliza białek nie powoduje rozkładu aminokwasów, jest bardziej
specyficzna od hydrolizy kwasowej i alkalicznej białek.
W wyniku częściowej proteolizy
Zmieniają się reologiczne, fizyczne, chemiczne właściwości białek,
Powstają charakterystyczne cechy smakowe i zapachowe produktów.
np. hydrofobowe aminokwasy schowane wewnątrz cząsteczki białka zostają odsłonięte,
najczęściej powstaje gorzki smak, zwiększa się rozpuszczalność, obniża napięcie
powierzchniowe, zwiększa się zdolność do emulgowania tłuszczów (tworzenia emulsji) i
tworzenia piany, wzrasta strawność i przyswajalność produktu.
Gdy jednak zbyt długo prowadzi się hydrolizę to właściwości emulgujące i tworzenia piany
mogą spadać.
Hydrolizaty białek na skalę przemysłową otrzymuje się z:
białek mleka (kazeiny, albuminy, białka serwatkowe),
białek mięsa, soi, glutenu pszenicy, fibrynogenu lub kolagenu.
Hydrolizaty białkowe – zastosowanie
Jako koncentraty spożywcze i przyprawowe, np. zupy instant, sosy sojowe,
przyprawy do pieczenia mięsa, buliony mięsne w proszku,
Dodatki do żywności wytwarzające i stabilizujące pianę, emulgujące tłuszcze,
modyfikujące smak, poprawiające teksturę i ułatwiające krojenie, np. do parówek,
Do otrzymywania żywności przeznaczenia specjalnego:
-‐ odżywki dla niemowląt,
-‐ preparaty odchudzające,
-‐ odżywki białkowe dla sportowców,
-‐ odżywki o obniżonej alergenności dla dzieci „atopowych” oraz z zaburzeniami
-‐ wchłaniania i trawienia o podłożu immunologicznym, niealergizującym,
Wzbogacanie produktów w białko, np. chleba i żywności specjalnej.
Laktoalbumina zawarta w białku serwatkowym mleka krowy oraz albumina jaja
zostały uznane za białka o najwyższej wartości odżywczej przez FAO/WHO (nie
tylko zawartość egzogennych aminokwasów, ale i proporcje aminokwasów
egzogennych do endogennych) => ale RYZYKO REAKCJI ALERGICZNYCH!!!
PROCES PLASTEINOWANIA
Proces plasteinowania, jako przykład polepszania jakości białek
Enzymatyczna reakcja resyntezy wiązań peptydowych (w konkretnych warunkach),
Enzymatyczne
przeprowadzanie
hydrolizatów
białkowych
w
peptydy
wielkocząsteczkowe, nierozpuszczalne w 10% TCA o konsystencji żelu nazwanego
„plasteiną”.
Proces dwuetapowy:
ETAP 1: polega na częściowej hydrolizie wiązań peptydowych białek przy użyciu
proteinaz, takich jak pepsyna, papaina, α-‐chymotrypsyna.
ETAP 2: otrzymany uprzednio hydrolizat białkowy (mieszanina peptydów), po
zatężeniu, poddaje się reakcji plasteinowania katalizowanej przez enzymy, takie
same bądź inne niż stosowane w procesie hydrolizy, lecz przy pH innym niż w
procesie hydrolizy w wyniku, czego otrzymuje się plasteinę charakteryzującą się, w
porównaniu z białkiem wyjściowym, lepszym składem jakościowym oraz obniżoną
zawartością substancji antyżywieniowych.
Schemat technologiczny otrzymywania plastein
Plasteiny o po!"danym sk#adzie
aminokwasowym
Hydroliza wi"za$ estrowych
Zag%szczenie
Cz%&ciowa hydroliza
do peptydów
Odszczepienie niepo!"danych
aminokwasów
Roztwór bia!ek
Endopeptydaza,
np. pepsyna
Egzopeptydaza
Rozdzielenie
Niepo!"dane
aminokwasy
Woda
Reakcja plasteinowa w 50 %
roztworze substratów
Estry etylowe po!"danych
aminokwasów
Rozpuszczalnik
organiczny
Rozdzielenie
Frakcja zwi"zków
ma#ocz"steczkowych
Alkohol etylowy
NaOH
KIERUNKI WYKORZYSTYWANIA REAKCJI PLASTEINOWANIA
-‐ wbudowywanie aminokwasów egzogennych w białka, np. gluten (białko
zapasowe zbóż) w lizynę, zeinę w lizynę, tryptofan,
-‐ usuwanie niepożądanych aminokwasów w przypadku szczególnych diet, np. w
fenyloketonurii konieczne jest wyeliminowanie z produktów fenyloalaniny (do
produkcji hydrolizatów wykorzystywane są rybny koncentrat białkowy i białko
sojowe),
-‐ usuwanie gorzkiego smaku hydrolizatów białkowych – usunięcie aminokwasów
hydrofobowych lub ich ukrycie wewnątrz długich łańcuchów plastein,
-‐ usuwanie właściwości alergennych białek – usunięcie części epitopów (z końca N
lub C) ,
-‐ rozbicie epitopów lub ich ukrycie wewnątrz łańcuchów plastein => konieczność
poznania sekwencji aminokwasowych uczulających.
ZASTOSOWANIE PEPTYDAZ
PIEKARNICTWO
-‐ rozluźnienie zbyt mocnego białka glutenowego mąki, co prowadzi do skrócenia
czasu wyrabiania ciasta,
-‐ polepsza jego pulchność i konsystencję (peptydazy grzybowe i bakteryjne),
BROWARNICTWO
-‐ podczas przerobu zbożowych surowców niesłodowanych w celu zapewnienia
odpowiednich właściwości organoleptycznych (zapachu, pienistości, klarowności)
=> stabilizacja piwa (szczególne znaczenie przy schładzaniu piwa),
-‐ przy słodowaniu jęczmienia i w początkowej fazie zacierania słodu => odpowiedni
stopień rozkładu substancji białkowych,
PRZEMYSŁ MIĘSNY
-‐ przyspieszenie procesu dojrzewania mięsa, głównie wołowego, poprzez częściowy
rozkład ... białka włókna mięśniowego uzyskuje się poprawę konsystencji
(delikatność, kruchość), poprawę wartości odżywczej i cech organoleptycznych
=> 2-‐3 x skrócony czas dojrzewania => zwiększona strawność,
-‐ oddzielenie resztek mięsa od kości – zwiększenie odzysku białka,
-‐ zmiękczanie, odwłasianie skór,
-‐ zwiększenie wydajności ekstrakcji tłuszczu,
ZASTOSOWANIE PEPTYDAZ
PRZEMYSŁ RYBNY
-‐ dojrzewanie solonych, marynowanych śledzi (pleśnie Aspergillus),
MLECZARSTWO
-‐ koagulacja białek mleka w produkcji sera,
-‐ produkcja hydrolizatów kazeiny,
-‐ produkcja mleka sojowego, mleka w proszku,
-‐ w procesie dojrzewania sera – proces złożony, proteoliza niezbędna do uzyskania
prawidłowej struktury, głębokiego smaku,
-‐ dostarczenia aminokwasów niezbędnych do wytworzenia charakterystycznego
smaku i zapachu.
Reakcje katalizowane przez transglutaminazę
-‐ sieciowanie łańcuchów polipeptydowych.
Transglutaminaza
-‐ występuje w krwi ssaków, uczestniczy w wytwarzaniu skrzepów;
-‐ produkowana także przez drobnoustroje;
-‐ jako acylotransferaza, katalizuje reakcje łączenia reszty acylowej glutaminy
wbudowywanej w białko lub w peptyd z pierwszorzędową grupą aminową
aminokwasu wolnego lub wbudowanego w białko lub peptyd (lizyna).
O O
|| ||
bia!ko
1
-(CH
2
)
2
-C-NH
2
+ H
2
N-(CH
2
)
4
-bia!ko
2
! bia!ko
1
-(CH
2
)
2
-C-N-(CH
2
)
4
-bia!ko
2
+ NH
3
|
H
O O
|| ||
bia!ko-(CH
2
)
2
-C-NH
2
+ H
2
NR ! bia!ko-(CH
2
)
2
-C-N-R + NH
3
wolny |
aminokwas H
Jedynym producentem enzymatycznych preparatów amylolitycznych, pektynolitycznych i
proteolitycznych w Polsce są Zakłady Przemysłu Ococowo-‐Warzywnego PEKTOWIN w Jaśle.
Enzymy proteolityczne otrzymywane głównie w wyniku biosyntezy bakterii Bacillus sub1lis,
szczepu Aspergillus niger.
Novozymes niekwesmonowany lider produkcji enzymów
Historia firmy Novozymes
Znaczenie innowacji w rozwoju firm
Każda nowo projektowana linia biotechnologiczna
poprzedzona jest fazą badawczą i wdrożeniową
Dla dynamicznego rozwoju firmy biotechnologicznej należy zwiększać swoją zdolność
innowacyjną poprzez posiadanie własnego ośrodka badawczo-‐wdrożeniowego (od 10-‐30%
zysku ze sprzedaży powinno być inwestowane w takie badania).
Mniejszy wpływ na środowisko produktów bio-‐
spowodowało gwałtowny wzrost biotechnologii
przemysłowej
-‐ Redukcja emisji gazów cieplarnianych w
porównaniu do emisji dwutlenku surowców
kopalnych
-‐ Mniejsze zużycie energii podczas produkcji
(np. poprzez zastosowanie enzymów)
-‐ Mniejszy wpływ na środowisko
(''zielonych''rozpuszczalników, zmniejszenie
zużycia wody, degradacji produktów
ubocznych, itp.)
-‐ Surowce odnawialne
Prawdziwe korzyści wymagają oceny dla
każdego związku, w zależności od
-‐ Typ surowca (np. trzciny cukrowej vs
kukurydziane)
-‐ Pochodzenie surowca (np. produkcji na
gruntach rolnych vs wylesianie)
-‐
Techniki
rolniczej
(np.,
nawożenie,
nawadnianie, stosowanie pestycydów)
Bio-‐produkty na bazie chemicznej są korzystne dla emisji dwutlenku węgla i innych
kryteriów środowiskowych
Projektowana linia biotechnologiczna powinna opierać się o określone standardy
bezpieczeństwa (farmacja vs. produkcja bioetanolu) oraz zakąłdać możliwe pełne
wykorzystanie surowców i odpadów produkcyjnych (surowce wtórne/pośrednie).