Окисление фенолов в процессе хранения пищевых продуктов ферментом полифенолоксидозой

Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 году Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 году Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено ещё несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана.

Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila. Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.

Функции ферментов

Существуют два основных пути повышения скорости химической реакции. Первый путь — повышение температуры, то есть ускорение теплового движения молекул, которое приводит к увеличению доли молекул, обладающих достаточной внутренней энергией для достижения переходного состояния. Как правило, повышение температуры на 10 °C вызывает ускорение химической реакции приблизительно в 2 раза (см. правило Вант-Гоффа).

Катализаторы снижают энергию активации химических реакций (энергетический, или активационный, барьер), не влияя при этом на полное изменение свободной энергии в ходе реакции и на конечное состояние равновесия. Пунктирная линия — реакция без катализа, субстрат нуждается в большой активационной энергии, чтобы перейти в переходное состояние, завершающееся образованием низкоэнергетического продукта. В присутствии катализатора (сплошная линия) энзим связывает субстрат (ES), затем стабилизирует переходное состояние (ES‡), чтобы понизить энергию активации, требуемую для получения продукта реакции (EP). Вершина энергетического барьера соответствует активационному барьеру (Transition state).

Второй путь ускорения химической реакции — добавление катализатора. Катализаторы ускоряют химические реакции, находя «обходные пути», позволяющие молекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергетическом уровне. Катализатор (обозначим его буквой К) на промежуточной стадии взаимодействует с реагентом А с образованием нового комплексного соединения КА, переходному состоянию которого соответствует значительно более низкая энергия активации по сравнению с переходным состоянием реагента А в некатализируемой реакции. Затем комплекс реагент-катализатор (КА) распадается на продукт П и свободный катализатор, который может опять соединиться с другой молекулой А и повторить весь цикл. Именно таким образом катализаторы снижают энергию активации химической реакции, в их присутствии гораздо более значительная доля молекул данной популяции вступает в реакцию в единицу времени. Ферменты, так же как и другие катализаторы, соединяются со своими субстратами в ходе каталитического цикла.

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ в другие. Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах. К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов. Они играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществорганизма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса.Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность — константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду.

Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка телёнка, створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C.

При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов — ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы — в сотни и тысячи раз.

Окислительные ферменты, группа ферментов, обусловливающих окислительные процессы, идущие в растительных и животных клетках как при их жизни, так и первое время после разрушения протоплазмы. Наиболее важным с биол.точки зрения О. процессом живой клетки является дыхание, при к-ром органич. вещества окисляются за счет 02 воздуха до конечных продуктов распада (С02 и воды). Еще Лавуазье указал, что этот процесс аналогичен горению. Но тогда как горение может осуществляться только при очень сильном разогревании органических веществ, дыхание происходит при сравнительно низких температурах. Поэтому его нужно отнести к группе весьма распространенных в природе явлений, обычно называемых «самопроизвольным окислением» или «медленным сгоранием». Указанные процессы совершаются с заметной скоростью только в присутствии особых ускорителей—катализаторов. На необходимость наличия в живой клетке такого рода катализаторов—О. ф.—-указал еще ШенбеЙн (Schonbein). Он считал, что без этих ферментов «животные задыхались бы в океане чистого 02, как в пустом пространстве». Впервые О. ф. был выделен японским ученым Иошидой (Н. Yoshida) из сока лакового дерева, поэтому он и получил название лакказы. Бертран (G. Bertrand), подробно изучивший лакказу, показал, что аналогичные ферменты существуют и в других растительных объектах. Он объединил все эти ферменты, окисляющие в присутствии атмосферного 02, под общим названием «оксидазы». Бах совместно с Шода (R. Chodat) подверг эти ферменты детальному исследованию. На основании полученных им данных он построил теорию, согласно к-рой действие оксидаз базируется на активировании атмосферного 02. При этом возникают промежуточные перекисные- соединения органических веществ и перекись водорода. Последняя в присутствии особого О. ф. «пероксидазы» может быть использована живой клеткой для дальнейшего окисления органических веществ. Однако ни оксидаза ни пероксидаза не могут окислять ни углеводов, ни белков, ни жиров. Бах и ТТТода рядом тщательных опытов доказали, что действие этих ферментов распространяется только на следующие вещества: фенолы, ароматические амины и иодистоводородную к-ту. Ни одно из этих соединений не является материалом, окисляемым в процессе дыхания. Следовательно наличие в клетке оксидаз еще не может обусловить собой процесса дыхания. Высказывалось даже мнение (P. Portier), что оксидазы вообще не являются «дыхательными ферментами» и что их роль сводится только к защитному действию, к образованию веществ, препятствующих проникновению микроорганизмов - в пораненную ткань. Но эта точка зрения оказалась неверной, и в наст, время с полной отчетливостью установлена та выдающаяся роль, которую играют оксидазы при витальном окислении.

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название или один и тот же фермент имеет два и более названий. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза). Многие ферменты имеют исторически сложившиеся тривиальные названия, не связанные с названиями их субстратов, например пепсин и трипсин. Из-за этих и других затруднений, а также вследствие всё возрастающего числа вновь открываемых ферментов было принято международное соглашение о создании систематической номенклатуры и классификации ферментов.

Ферменты широко используются в народном хозяйстве — пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии и медицине. Большинство лекарств влияют на течение ферментативных процессов в организме, запуская или приостанавливая те или иные реакции.

4.Полифенолоксидаза

При переработке пищевого растительного сырья заслуживают внимания некоторые представители окислительно-восстановительных ферментов - полифенолоксидаза и липоксигеназа.

Полифенолоксидаза (1.10.3.1) относится к аэробным дегидрогеназам. для которых акцептором водорола может служить лишь кислород воздуха. Отнимая водород, от окисляемого субстрата и передавая его затем кислород} возлуха. полифенолоксидаза может образовать при этом воду.

Полифенолоксидаза содержится в грибах и высших растениях. Этот фермент представляет собой белок, содержащий медь (0.2 - 0.3 %). Примером катализируемой им реакции окисления полифенола может служить окисление пирокатехина в соответствующий хинон

 

Полифенолоксидаза окисляет также трифенолы, например пирогаллол. Действием этого фермента объясняется потемнение поверхности разрезанного яблока или картофельного клубня, а также потемнение плодов и овощей при сушке. Полифенолоксидаза участвует в окислении полифенолов и дубильных веществ, происходящем при скручивании и завяливании чайного листа. Полифенолоксидаза (тирозиназа 1.14.18.1) может также окислять тирозин с образованием темноокрашенных соединений меланинов (фенольные полимеры, строение которых до конца не выяснено).

5.Значение фенольных соединений для технологии переработки пищи.

Фенольные соединения входят в состав всех без исключения растительных продуктов, используемых в пищу человеком. В ряде случаев вкусовые и питательные качества продукта зависят от состава и превращений содержащихся в нем фенолов. Переработка растительного сырья и получение из него конечного продукта, употребляемого в пищу, связаны поэтому во многих пищевых производствах с изменениями фенольных соединений. Это относится в первую очередь к производству черного чая, кофе, какао, шоколада, вина, коньяков, сидра, пива. 
Чай. Классические исследования советских ученых А. И. Опарина, А. Л. Курсанова, М. Н. Запрометова, М. А. Бокучава, а также Е. Робертса и других зарубежных ученых показали, что окислительные превращения фенолов, главным образом катехинов, лежат в основе процесса переработки молодых листочков и побегов чайного растения в черный чай. Листья чайного растения содержат наряду с катехинами также достаточно активную фенол-оксидазу. В неповрежденных листьях они пространственно разделены и не взаимодействуют. Но после их подвяливания и раздавливания изоляция нарушается и начинается энергичное окисление фенолов (ферментация). Основная масса катехинов окисляется с образованием димерных продуктов. Они-то и придают чаю его характерный цвет и вкус. Катехины, точнее, образующиеся из них хиноны, вовлекают в процесс также аминокислоты, способствуя и их окислению, и дезаминированию. Образующиеся при этом из аминокислот альдегиды придают чаю характерный аромат, букет. 
Но процесс ферментации не должен заходить слишком далеко. Наиболее окисленные полимерные продукты катехинов переходят в нерастворимое состояние и, таким образом, не усваиваются человеком. Чтобы этого не случилось, в процессе производства чая процесс ферментации не доводят до конца, удерживают его в таком режиме, чтобы окислительная конденсация не заходила дальше димеров и тримеров. От соблюдения этого режима во многом зависит качество готового продукта. Разработанный советскими учеными биохимический метод контроля чайного производства помогает решать эти сложные задачи. 
Какао, шоколад. Сырьем для их производства являются плоды дерева какао, растущего в странах тропической Африки. Бобы какао богаты маслом, ценными белками, а также фенольными соединениями (это катехины и лейкоантоцианидины). Присутствие этих наиболее восстановленных фенолов в готовом продукте нежелательно, они придают ему терпкий вкус. Поэтому при изготовлении порошка какао и шоколада одной из главных задач является окисление этих соединений путем обжаривания и размола бобов. Такая комбинированная термическая и механическая обработка сырых (зеленых) бобов приводит к достаточно полной окислительной конденсации катехинов и лейкоантоцианидинов. Образующиеся при этом меланиноподобные поликонденсаты и придают готовому продукту присущий ему цвет, вкус и аромат. 

Вино. Фенольные соединения содержатся как в соке и мякоти винограда, так и в оболочке плодов. В виноделии фенолы также подвергаются превращениям, протекающим медленнее, чем в производстве чая, и в основном без участия ферментов, в процессе самоокисления. 
Наибольшую роль фенольные соединения играют в производстве красных вин, столовых и десертных. Носителями характерной окраски и здесь являются антоцианы, главным образом гликозиды мальвидина. Режим окисления фенольных соединений контролируется в производстве красных вин температурным режимом, сроками разлива, добавками сахара. 
Важную роль играют фенольные соединения также в производстве белых столовых вин так называемым кахетинским способом, издавна практикуемым в Грузии. В этом производстве подвергается брожению не чистый виноградный сок, а сок вместе с мезгой. Поскольку мякоть и оболочки плодов винограда содержат значительное количество разных фенольных соединений, такой способ приготовления вина благоприятствует его обогащению фенолами. Кахетинские вина содержат благодаря этому значительное количество катехинов, лейкоантоцианидинов и продуктов их окисления. 

Коньяк. В этом производстве фенолы экстрагируются крепким спиртом из дубовой древесины бочек в процессе длительного хранения и настаивания. Извлекаемые спиртом фенолы подвергаются и в этом производстве сложным превращениям, но они протекают иначе, чем в виноделии и чайном производстве. Растворенные в спирте сложные фенолы дубовой древесины подвергаются не окислительной конденсации, а, наоборот, частично гидролизуются, расщепляются; освобождающиеся при гидролизе гидроксильные группы подвергаются некоторому окислению. 
Фенолы древесины дуба имеют лигииновую и танниновую природу. После их экстракции и гидролиза в коньяках содержатся мономеры — альдегиды ванилина и его производных, галловая, м-дигалловая и эллаговая кислоты, а также некоторые количества гидролизуемых дубильных веществ. Набор фенолов коньяка, а следовательно, вкус, букет и цвет готового продукта определяются в основном полифенольным составом дубовой древесины. 

Сидр. И в этом производстве решающее значение имеет полифенольный состав сырья — яблок. Для изготовления сидра используют специальные сорта яблок, особенно богатые фенолами (катехинами и лейкоантоцианидинами). 

Фрукты и овощи также содержат значительные количества фенольных соединений. При их консервировании и переработке, производстве соков, компотов и т. п. технологи стремятся всячески предотвратить окисление фенолов исходя из двух независимых соображений. С одной стороны, это позволяет сохранить довольно высокую Р-витаминную активность исходного продукта. С другой — окисление фенолов нежелательно, так как вызывает потемнение окраски плодов, помутнение соков и отваров и, следовательно, ухудшает вид и товарную ценность продукта. 
Появление бурой окраски на срезах яблок, груш, айвы, персиков, бананов, а также картофеля, баклажанов при их порче паразитами связано с окислением катехинов и других фенолов. В процессе самоокисления и ферментативного окисления фенолов возникающие активные продукты взаимодействуют с белками, образуя нерастворимую муть и осадки. 
В некоторых случаях плоды (например, хурмы) становятся съедобными лишь после того, как содержащиеся в них фенолы подвергнутся окислению и конденсации. 
Знание свойств фенольных соединений, их химических и биохимических превращений облегчает задачу технологов, способствует получению более высококачественных и ценных пищевых продуктов.

6.Практическое использование ферментов в пищевой промышленности и других отраслях

Применение ферментных препаратов в отраслях пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход, а также сэкономить ценное пищевое сырье. Особое внимание технологов и других специалистов, перерабатывающих биологическое сырьё, привлекают ферменты первого класса – оксидоредуктазы и третьего – гидролазы. При переработке пищевого сырья происходит разрушение клеток биологического материала, повышается доступ кислорода к измельчённым тканям и создаются благоприятные условия для действия оксидоредуктаз, а высвобождающиеся гидролазы расщепляют основные структурные компоненты клетки - белки, липиды, полисахариды и гетерополисахариды.

Оксидоредуктазы-класс ферментов, катализирующих окислит.-восстановит. реакции. В зависимости от характера окисляемой группы О. делят на подклассы: действующие на спиртовую группу, на альдегидную или кетонную, на этильную группу и т. д. Акцепторами электронов и протонов служат НАД, НАДФ, цитохромы, хиноны и др. соединения. О. распространены повсеместно во всех живых клетках и играют важнейшую роль в обеспечении их энергией (см. Окисление Биологическое). Осн. представители О., в зависимости от механизма окисления: дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, гидроксилазы и оксигеназы. Известно св. двухсот О.

Рассмотрим подробнее фермент полифенолоксидазу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Список литературы

1.Эмануэль Н. М., Денисов Е. Т., Майзус 3. К., Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе, М., 1965.

2.Химическая Энциклопедия в 5 томах. ред. И. Л. Кнунянц. 5 том.

3.Яушев Р. Г., Усманов Р. М. Интенсификация процесса селективной очистки масел фенолом. — М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988. — 76 с

4. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х томах. Том 1. — Москва: Мир, 1985

5.Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. И. К теории ферментативного катализа.- Молекулярная биология, т. 6, вып. 3, 1972, ст. 431—439.

6.Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

7.Н. А., Попова Т. Н., Артюхов В. Г. - Биохимия: Учебник 2002г

8. http://studopedia.net/3_50145_harakteristika-okislitelno-vosstanovitelnih-fermentov-ih-rol-pri-pererabotke-i-hranenii-rastitelnogo-sirya.html

9. http://studopedia.ru/3_14749_polifenoloksidaza.html

10. http://www.bibliotekar.ru/