"Enzymy w technologii spożywczej"

Spis treści

Strona tytułowa 2

Strona redakcyjna 3

Spis treści 4

Autorzy 10

Słowo wstępne 11

1. Wprowadzenie: Enzymy w przemyśle spożywczym 12

1.1. Historia 12

1.2. Nazewnictwo 12

1.3. Enzymologia 13

1.3.1. Funkcje enzymów w naturze 13

1.3.2. Chemia enzymów 13

1.3.3. Specyficzność enzymów 13

1.3.4. Mechanizmy działania 14

1.3.5. Kompleks enzym–substrat 14

1.3.6. Równowaga chemiczna 14

1.3.3.1. Model klucza i zamka 14

1.3.3.2. Model indukowanego dopasowania 14

1.4. Kinetyka reakcji enzymatycznych 15

1.5. Czynniki wpływające na aktywność enzymów 15

1.5.1. Stężenie enzymu 15

1.5.2. Stężenie substratu 16

1.5.3. Allosteria 16

1.5.4. Kofaktory 16

1.5.5. Koenzymy 16

1.5.6. Inhibitory 16

1.5.6.1. Inhibicja kompetycyjna 16

1.6. Enzymy przemysłowe 17

1.5.6.2. Inhibicja akompetycyjna 17

1.5.6.3. Inhibicja niekompetycyjna 17

1.5.6.4. Inhibicja mieszana 17

1.7. Enzymy stosowane w produkcji żywności 18

1.7.1. Biotechnologia żywności 18

1.7.2. Zastosowania enzymów w produkcji żywności 18

1.10. Podsumowanie i wnioski 19

1.8. Inżynieria genetyczna 19

1.9. Alergie powodowane przez enzymy 19

Bibliografia 19

2. GMO a inżynieria białek 20

2.1. Wprowadzenie 20

2.2. Technologia rekombinowanego DNA 21

2.2.1. Klonowanie metodą „shotgun” 22

2.2.2. Samoklonowanie 23

2.2.3. Klonowanie z zastosowaniem PCR 23

2.2.4. Przykłady zastosowań 23

2.2.4.1. Przykład 1: wydajna produkcja fosfolipazy D ze Streptomyces cinnamoneum z użyciem technologii rekombinowanego DNA 23

2.2.4.2. Przykład 2: ekspresja fosfolipazy A2 ze Streptomyces violaceoruber 23

2.2.4.3. Przykład 3: klonowanie i ekspresja genu sfingomielinazy ze Streptomyces cinnamoneus przy użyciu PCR 24

2.3. Inżynieria białek 26

2.3.1. Strategie inżynierii białek 26

2.3.1.1. Metody racjonalnej mutagenezy 26

2.3.1.2. Mutageneza przypadkowa 27

2.3.2. Systemy ekspresji genów 28

2.3.3. Selekcjonowanie i monitorowanie 28

2.3.4. Zastosowania inżynierii białek – niezwykle skuteczne narzędzie przy wytwarzaniu enzymów stosowanych jako biokatalizatory 28

2.3.3.1. Wysoko wydajne badania przesiewowe 28

2.3.4.1. Przykłady poprawiania termostabilności oraz zmiany optymalnego pH działania 28

2.3.4.2. Przykład zwiększania wydajności katalitycznej 29

2.3.4.3. Przykład zmiany specyficzności substratowej 29

2.3.4.4. Przykłady zmian selektywności 29

2.4. Regulacje prawne 30

2.3.5. Kwestie bezpieczeństwa 30

2.4.1. Przepisy dotyczące samoklonowania 30

2.5. Perspektywy na przyszłość 31

Bibliografia 31

Podziękowania 31

2.4.2. Klonowanie oraz ekspresję genów między Streptomyces należy traktować jak „samoklonowanie” 31

3. Wytwarzanie enzymów przemysłowych 34

3.1. Badania aplikacyjne i inżynieria białek 34

3.2. Opracowywanie szczepów 34

3.2.1. Wprowadzenie 34

3.3. Fermentacja mikrobiologiczna 35

3.2.2. GMO wobec nie-GMO 35

3.2.3. Przykład: konstrukcja szczepu Bacillus subtilis jako gospodarza produkcji 35

3.2.4. Cele inżynierii genetycznej 35

3.2.5. Produkcja enzymów dla przemysłu spożywczego w dobie „omik” 35

3.3.1. Utrzymywanie i przechowywanie kultur 35

3.3.2. Przygotowywanie inokulum 36

3.3.3. Fermentacja produkcyjna 36

3.3.3.1. Sterylizacja 36

3.3.3.2. Przenoszenie masy i ciepła 36

3.3.3.3. Wzrost katalizatora 36

3.3.3.4. Produkcja enzymu (związana i niezwiązana ze wzrostem) 36

3.4. Procesy wydzielania i oczyszczania 37

3.4.1. Wypełnianie luk 37

3.4.2. Podstawowy proces wydzielania i oczyszczania 37

3.3.3.5. Produkcja okresowa, półciągła i ciągła 37

3.5. Formulacja enzymów 38

3.4.3. Oczyszczanie 38

3.4.4. Zrównoważenie procesów produkcji 38

3.5.1. Przygotowanie produktów stałych 38

3.5.1.1. Suszenie rozpyłowe 38

3.6. Podsumowanie 39

3.5.2. Przygotowanie produktów płynnych 39

3.5.3. Mieszanki 39

3.5.4. Środki konserwujące 39

3.5.1.2. Kapsułkowanie 39

3.5.1.3. Tabletki enzymatyczne 39

Bibliografi 40

4. Asparaginaza – enzym redukujący zawartość akryloamidu w produktach spożywczych 41

4.1. Wprowadzenie 41

4.2. Asparaginaza 43

4.3. Oznaczanie zawartości akryloamidu 43

4.4. Zastosowania 43

4.4.1. Próby zastosowania w produktach zbożowych 44

4.4.1.1. Półsłodkie ciasteczka 44

4.4.1.2. Precle 45

4.4.1.3. Chrupki chleb 45

4.4.1.4. Ciasteczka imbirowe 45

4.4.2. Badania zastosowań w produktach ziemniaczanych 46

4.4.1.5. Profile aromatu 46

4.4.1.6. Wnioski – wpływ asparaginazy na produkty zbożowe 46

4.4.2.1. Wprowadzanie asparaginazy do przetwórstwa ziemniaków 46

4.4.2.2. Produkcja przemysłowa frytek 47

4.4.2.3. Laboratoryjne badanie wpływu asparaginazy na frytki 47

4.4.2.4. Badania pilotażowe frytek 48

4.4.2.5. Talarki ziemniaczane 49

4.4.2.6. Ograniczenia działania asparaginazy 49

4.4.2.7. Produkty ziemniaczane na bazie ciasta 49

4.4.3. Zastosowania w obróbce kawy 50

4.4.2.8. Wnioski końcowe – asparaginaza w produktach na bazie ziemniaków 50

4.4.3.1. Stosowanie asparaginazy w przetwarzaniu kawy 50

4.4.3.2. Badania laboratoryjne 51

Bibliografia 52

Podziękowania 52

4.4.3.3. Podsumowanie – asparaginaza w produkcji kawy 52

5. Zastosowanie enzymów w produkcji wyrobów mleczarskich 56

5.1. Wprowadzenie 56

5.2. Enzymy ścinające mleko 56

5.2.1. Natura i podobieństwo podpuszczki i koagulantów 56

5.2.2. Właściwości podpuszczki i koagulantów z różnych źródeł 56

5.2.3. Wytwarzanie podpuszczki i koagulantów 57

5.3. Laktoperoksydaza 58

5.4. Enzymy uczestniczące w dojrzewaniu sera 58

5.2.4. Formulacja i standaryzacja podpuszczki i koagulantów 58

5.4.1. Komercyjnie dostępne rodzaje enzymów 58

5.4.2. Technologia dodawania enzymów 59

5.5. Lizozym 60

5.6. Transglutaminaza 60

5.7. Lipaza 60

5.4.3. Technologia produkcji serów modyfikowanych enzymatycznie 60

5.8. Laktaza 61

Bibliografia 61

5.7.1. Lipolizowany tłuszcz mleczny (LMF) 61

5.7.2. Między- i wewnątrzcząsteczkowa modyfikacja tłuszczu mlecznego katalizowana przez lipazy 61

5.8.1. Komercyjne produkty mleczarskie, otrzymywane przy użyciu technologii laktazy 61

6. Enzymy w piekarnictwie 63

6.1. Wprowadzenie 63

6.1.1. Pszenica 63

6.1.2. Składniki mąki pszennej 63

6.1.3. Skrobia 63

6.1.4. Gluten 64

6.1.5. Polisacharydy nieskrobiowe 65

6.1.6. Lipidy 65

6.2. Enzymy wykorzystywane w produkcji pieczywa 66

6.2.1. Amylazy 66

6.2.2. Klasyfikacja 66

6.2.3. Amylazy w wytwarzaniu pieczywa 66

6.2.4. Inne amylazy 67

6.2.5. Enzymy zapobiegające czerstwieniu pieczywa 67

6.3. Ksylanazy 69

6.3.1. Klasyfikacja 69

6.4. Lipazy 70

6.3.2. Mechanizm działania 70

6.3.3. Ksylanazy w produkcji pieczywa 70

6.4.1. Mechanizm działania 71

6.4.2. Lipazy w produkcji pieczywa 71

6.5. Oksydoreduktazy 72

6.5.1. Klasyfikacja 72

6.5.2. Oksydazy w piekarnictwie 72

6.6. Proteazy 74

6.6.1. Klasyfikacja 74

6.6.2. Proteazy w piekarnictwie 74

6.7. Inne enzymy 75

6.7.1. Transglutaminaza 75

6.6.2.1. Smak pieczywa 75

6.6.2.2. Utrzymywanie świeżości 75

6.7.2. Endoglikozydazy 76

6.7.3. Celulazy 76

6.7.1.1. Transglutaminaza w pieczywie bezglutenowym 76

6.7.4. Mannanazy 77

6.8. Uwagi końcowe 78

Bibliografia 78

7. Enzymy w produkcji żywności innej niż pieczywo, opartej na pszenicy 83

7.1. Wprowadzenie 83

7.2. Funkcjonalność enzymów w produktach na bazie pszenicy, innych niż pieczywo 83

7.3. Zastosowanie enzymów w produkcji ciast i mufin 83

7.4. Zastosowanie enzymów w produkcji makaronów 84

7.4.1. Wpływ enzymów na makarony typu pasta 85

7.4.2. Wpływ enzymów na makarony ze zwykłej mąki (typu noodles) 85

7.5. Zastosowanie enzymów w produkcji ciastek, herbatników i krakersów 86

7.6. Zastosowanie enzymów w produkcji wafli 88

7.7. Wykorzystanie enzymów w produkcji tortilli na bazie mąki pszennej 88

7.8. Zastosowanie enzymów w produkcji płatków śniadaniowych 89

7.9. Inne przykłady 89

Bibliografia 89

7.9.1. Wykorzystanie asparaginazy w celu zmniejszenia zawartości akryloamidu w produktach na bazie pszenicy 89

8. Warzenie piwa z udziałem enzymów 93

8.1. Wprowadzenie 93

8.2. Słodowanie: przekształcanie surowego jęczmienia w kompleks bogaty w enzymy 93

8.2.1. Namaczanie 94

8.2.2. Kiełkowanie 94

8.2.2.1. Rozpad ściany komórkowej podczas kiełkowania 95

8.2.3. Suszenie 96

8.2.2.2. Rozpad białek podczas kiełkowania 96

8.2.2.3. Rozpad lipidów podczas kiełkowania 96

8.2.2.4. Rozpad skrobi podczas kiełkowania 96

8.2.2.5. Wykorzystanie egzogennego kwasu giberelinowego podczas kiełkowania 96

8.3. Proces przetwarzania w warzelniach 97

8.2.4. Komercyjne enzymy wykorzystywane w procesie słodowania 97

8.3.1. Mielenie 97

8.3.2. Zacieranie 97

8.3.2.1. Rozkład białek 97

8.3.2.2. Rozkład β-glukanu oraz innych nieskrobiowych polisacharydów 98

8.3.2.3. Komercyjne enzymy stosowane do rozkładu ściany komórkowej 98

8.3.2.4. Konwersja i amyloliza skrobi 98

8.3.2.5. Programy zacierania 99

8.4. Składniki pomocnicze przy warzeniu piwa 100

8.3.3. Zakwaszanie biologiczne podczas zacierania 100

8.3.4. Enzymy wykorzystywane przy filtrowaniu zacieru 100

8.4.1. Warzenie z udziałem surowego jęczmienia 101

8.4.2. Warzenie z użyciem kukurydzy lub ryżu 101

8.4.3. Warzenie z udziałem sorgo 101

8.5. Zastosowania enzymów i ich rola w procesie fermentacji 102

8.4.4. Inne potencjalne dodatki 102

8.5.1. Procesy enzymatyczne podczas fermentacji z udziałem drożdży 102

8.5.2. Enzymy egzogenne wykorzystywane podczas fermentacji 102

8.5.3. Wytwarzanie piwa o małej zawartości węglowodanów 103

8.6. Stabilizacja piwa 104

8.7. Enzymy w piwowarstwie – perspektywy na przyszłość 104

8.6.1. Enzymy wykorzystywane do działań naprawczych (filtracja a zmętnienie piwa) 104

8.6.2. Wzmocnione dojrzewanie 104

8.8. Wnioski końcowe 105

Bibliografia 105

Podziękowania 105

9. Wykorzystanie enzymów w produkcji alkoholi spożywczych oraz win 106

9.1. Enzymy wykorzystywane w produkcji alkoholi spożywczych 106

9.1.1. Enzymy hydrolizujące skrobię 106

9.1.1.1. α-Amylazy 106

9.1.1.2. β-Amylazy 107

9.1.1.3. Dekstrynazy graniczne 108

9.1.1.4. R-enzym 108

9.1.1.5. Glukoamylaza (amyloglukozydaza) 108

9.1.1.6. α-Glukozydaza 108

9.1.1.7. Transglukozydaza 108

9.2. Enzymy w przemyśle winiarskim 109

9.1.2. Celulazy 109

9.2.1. Wprowadzenie 109

9.2.2. Struktura i budowa winogron 109

9.2.3. Pektyny 109

9.2.3.1. Trzy główne składniki pektyn [13, 14] 109

9.2.3.2. Właściwości fizyczne pektyn i ich negatywny wpływ na produkcję win 109

9.2.4. Polifenole 110

9.2.5. Aromaty do win i ich prekursory w winogronach 110

9.2.6. Aspekty prawne dotyczące stosowania enzymów w przemyśle winiarskim 110

9.2.4.1. Rodzaje związków fenolowych występujących w winogronach 110

9.2.4.2. Właściwości polifenoli 110

9.2.4.3. Rozmieszczenie polifenoli w winogronach 110

9.2.5.1. Składniki glikozylowane 110

9.2.5.2. Tiole 110

9.2.6.1. Organizacje 110

9.2.7. Jawność GMO 111

9.2.8. Wytwarzanie enzymów przeznaczonych dla winiarstwa 111

9.2.6.2. Aktywności enzymatyczne dopuszczone w przemyśle winiarskim 111

9.2.6.3. Identyfikowalność 111

9.2.6.4. Oznaczanie 111

9.2.8.1. Enzymy powstałe w wyniku fermentacji 111

9.2.9. Skład enzymów przeznaczonych dla przemysłu winiarskiego 112

9.2.8.2. Inne sposoby wytwarzania enzymów dla przemysłu winiarskiego 112

9.2.9.1. Podstawowa aktywność 112

9.2.9.2. Aktywności poboczne 112

9.2.9.3. Wytwarzanie 112

Bibliografia 113

10. Enzymy w przetwórstwie ryb 114

10.1. Wprowadzenie 114

10.2. Proteazy 114

10.2.1. Zastosowania proteaz 114

10.2.1.1. Ekstrakcja karotenoprotein 114

10.2.1.2 Sos rybny 115

10.2.1.3 Środki aromatyzujące do ryb 115

10.2.1.4 Usuwanie skóry 115

10.2.1.5 Wydzielanie kolagenu 115

10.2.1.6 Hydrolizat białka 116

10.3. Transglutaminaza (TGaza) 119

10.3.1. Endogenna TGaza 119

10.3.2. Transglutaminaza mikrobiologiczna (MTGaza) 120

10.3.2.1. Wykorzystanie MTGazy w żelach surimi i ze zmielonego mięsa ryb 120

10.3.2.2. Wykorzystanie MTGazy w produkcji żeli z żelatyny oraz folii 121

Bibliografia 122

Podziękowania 122

11. Wykorzystanie enzymów w przetwórstwie owoców i warzyw oraz ekstrakcji soków 126

11.1. Wprowadzenie 126

11.2. Budowa owoców 126

11.2.1. Pektyny 126

11.3. Enzymy rozkładające pektynę 127

11.2.2. Hemicelulozy 127

11.2.3. Celuloza 127

11.2.4. Skrobia 127

11.4. Komercyjne pektynazy 128

11.4.1. Wytwarzanie 128

11.4.2. Specyfikacje 129

11.4.4. Mikroorganizmy modyfikowane genetycznie 129

114.3. Aspekty prawne 129

11.5. Enzymy wykorzystywane w przetwórstwie owoców 130

11.5.1. Przetwarzanie jabłek 130

11.5.1.1. Koncentrat soku jabłkowego, otrzymywany z zastosowaniem prasy 130

11.5.1.2. Koncentrat soku jabłkowego otrzymywany z użyciem dekantera 131

11.5.2. Przetwarzanie owoców jagodowych 132

11.5.1.3. Mętny sok jabłkowy 132

11.5.1.4. Koncentrat soku gruszkowego 132

11.5.2.1. Koncentrat soku z czarnej porzeczki 133

11.5.3. Przetwarzanie owoców tropikalnych 134

11.5.2.2. Koncentrat soku truskawkowego 134

11.5.3.1. Proces produkcji nektaru i klarowanego koncentratu 135

11.5.3.2. Sok ananasowy 135

11.5.4. Przetwarzanie cytrusów 136

11.5.4.1. Płukanie pulpy 136

11.5.4.2. Uzyskiwanie olejków 136

11.5.4.3. Zmniejszanie lepkości 136

11.6. Zachowanie jędrności owoców 137

11.7. Przetwarzanie warzyw 137

11.5.4.4. Klarowany koncentrat soku cytrynowego 137

11.5.4.5. Obieranie ze skórki i puszkowanie owoców cytrusowych 137

11.8. Nowe trendy i wnioski końcowe 138

Bibliografia 138

12. Enzymy w przemyśle mięsnym 139

12.1. Wprowadzenie 139

12.2. Mięso jako surowiec 139

12.2.1. Budowa mięśni 139

12.2.2. Chemia i biochemia mięśni 139

12.2.3. Przekształcanie mięśni w mięso 140

12.2.4. Czynniki wpływające na przetwarzanie mięsa 140

12.2.4.1. Ogrzewanie 140

12.2.4.2. Wiązanie wody 140

12.3. Enzymy wykorzystywane w przetwórstwie mięsa 141

12.3.1. Proteazy i peptydazy 141

12.2.4.3. Obróbka mechaniczna 141

12.3.2. Lipazy 142

12.3.3. Transglutaminaza 142

12.4. Zmiękczanie mięsa z udziałem enzymów 143

12.3.4. Enzymy utleniające 143

12.3.5. Glutaminaza 143

12.4.1. Zastosowania enzymów do zmiękczania mięsa 143

12.5. Nadawanie smaku produktom mięsnym przez wykorzystanie enzymów 144

12.5.1. Wpływ procesów proteolizy i lipolizy na powstawanie smaku produktów mięsnych 144

12.5.2. Wpływ enzymów na dojrzewanie peklowanegona sucho mięsa 144

12.6. Inżynieria strukturalna przy użyciu enzymów sieciujących 145

12.6.1. Restrukturyzacja mięs niepoddawanych obróbce termicznej 145

12.6.2. Systemy przetworzonego mięsa 145

12.7. Inne zastosowania 147

12.8. Perspektywy na przyszłość 147

Bibliografia 147

13. Wykorzystanie enzymów w modyfikowaniu białek 152

13.1. Wprowadzenie 152

13.2. Reakcja hydrolizy 152

13.3. Kontrolowanie reakcji hydrolizy 152

13.4. Proteazy 153

13.5. Właściwości hydrolizowanego białka 154

13.5.1. Smak 154

13.5.2. Rozpuszczalność 156

13.5.3. Lepkość 156

13.5.4. Emulgowanie 157

13.5.5. Spienianie 157

13.5.6. Żelowanie 158

13.5.7. Alergenność 159

13.5.8. Bioaktywne peptydy 159

13.6. Przetwarzanie 160

13.6.1. Przygotowanie surowca 160

13.6.2. Hydroliza 160

13.6.3. Dezaktywacja proteaz 160

13.6.4. Oddzielanie białek/peptydów 161

13.7. Hydrolizaty białka dostępne na rynku 162

13.6.5. Zagęszczanie, formulacja oraz suszenie 162

13.8. Wnioski końcowe 163

Bibliografia 163

14. Enzymy stosowane w przetwórstwie skrobi 166

14.1. Wprowadzenie 166

14.2. Skrobia i enzymy katalizujące jej konwersję 166

14.3. Hydroliza skrobi 167

14.4. Wytwarzanie fruktozy przy użyciu izomerazy glukozowej 168

14.5. Izomaltooligosacharydy 168

14.6. Amylazy w piekarnictwie (por. rozdz. 6) 168

14.10. Rozgałęzione dekstryny 169

14.7. Glukanotransferazy 169

14.8. Cyklodekstryny 169

14.9. Termoodwracalna skrobia żelująca 169

14.11. Wnioski końcowe 170

Bibliografia 170

15. Wykorzystanie lipaz w produkcji składników żywności 172

15.1. Wprowadzenie 172

15.2. Biochemia enzymów 172

15.3. Interestryfikacja 173

15.4. Uwodornianie i interestryfikacja chemiczna 173

15.5. Interestryfikacja enzymatyczna 174

15.5.1. Wymagania dotyczące jakości oleju 175

15.5.2. Poprawianie jakości oleju 176

15.5.3. Prowadzenie procesów EIE 176

15.6. Proces odśluzowania enzymatycznego 177

15.5.4. EIE – perspektywy na przyszłość 177

15.6.1. Budowa fosfolipidów oraz fosfolipazy 177

15.6.2. Mechanizm odśluzowania enzymatycznego 178

15.6.3. Rezultaty zastosowań odśluzowania enzymatycznego w przemyśle 179

15.6.4. Doskonalenie procesu odśluzowania enzymatycznego 179

15.7. Synteza estrów 180

15.6.5. Odśluzowanie enzymatyczne – perspektywy na przyszłość 180

15.8. Tłuszcze specjalne 181

15.10. Przyszłe zastosowania lipaz 182

15.9. Ekologiczne zalety procesów enzymatycznych 182

15.10.1. Biodiesel 182

15.10.2. Alternatywne systemy unieruchamiania lipaz 182

15.11. Wnioski końcowe 183

Bibliografia 183

15.10.3. Alternatywne systemy reakcji 183