Химия и химические технологии

/5.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

К.х.н. Халиков Р.М.

Уфимский государственный университет экономики и сервиса, Россия

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ АМИЛОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ НА СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ

Крахмалсодержащее сырье является перспективным для производства технологических добавок в пищевой индустрии. Амилолитические энзимы (гликозидазы или гликозид-гидролазы): α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза и др. используются в метаболической конверсии растительного сырья в пищевых технологиях [1]. Использование ферментных препаратов в отраслях пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшать качество и выход готовой продукции и т.д.

Цель данной статьи – интерпретация супрамолекулярного воздействия амилаз на субстраты и влияние различных факторов на энзиматическую активность при гидролизе крахмалсодержащего сырья.

Полисахариды крахмала (амилоза и амилопектин) расщепляются до олиго-, ди- и моносахаридов при одновременном участии разнообразных амилолитических ферментов. Основная часть амилаз (лат. «amylum – крахмал») сухих семян и зернопродуктов находится в неактивном состоянии, а активность энзимов не проявляется из-за отсутствия свободной воды, необходимой для протекания биотехнологических реакций гидролиза.

Регуляция скорости ферментативного расщепления макромолекул амилозы и амилопектина крахмального субстрата осуществляется: подготовкой сырья – вида и состояния крахмала (нативный или клейстеризованный), выбором источника выделения амилазных препаратов, а также мониторингом формирования энзим+субстратных цитоструктур. Например, оптимальными условиями действия амилолитических ферментов солода являются: рН 5,6–5,8 (влияние среды на формирование энзим+субстратного комплекса), температура 60–65°С и энзимы активируются ионами кальция и хлора, а ингибируются ионами железа, хрома, меди.

Активный центр изоферментов α-амилаз представлен аминокислотными остатками аспарагиновой (Asp) и глютаминовой (Glu) кислот, а консервативные последовательности аргинина, гистидина и тирозина по всей вероятности участвуют в позиционировании субстрата в активном центре энзима (рис. 1). Третичная наноструктура амилаз формируется за счет самоорганизации доменов и приводит к усилению комплементарности [2] соответствия энзима+переходного состояния крахмального субстрата.

Рис. 1. Механизм расщепления полисахаридов крахмала при участии амилаз

В супрамолекулярном механизме регуляции каталитической активности различных амилаз на крахмальный субстрат имеются отличия: α-амилаза гидролизует крахмал внутри полиглюкановой цепи и в результате образуются декстрины, мальтоза и α-глюкоза. При длительном гидролизе крахмала солодовой α-амилазой получают смесь углеводов, состоящую в основном из α-мальтозы и в незначительных количеств глюкозы. β-Амилаза отщепляет с конца макромолекул дисахарид β-мальтозу, а фермент глюкоамилаза катализирует неспецифическое отщепление остатков глюкозы; амило-1,6-глюкозидаза действует на «точки» разветвления макромолекул амилопектина.

Регуляцию активности изоферментных α-амилаз можно осуществить за счет изменений рН среды и концентраций ионов кальция. Ионы Са²⁺ стабилизируют вторичную и третичную структуру макромолекулы энзима и одновременно предохраняют фермент от инактивирующего воздействия протеаз [3]. При рН 4,5 процесс инактивации α-амилаз в присутствии ионов кальция значительно замедляется стабилизирующим воздействием ионов кальция на супрамолекулярном уровне цитоструктур.

Несмотря на доминирующую роль генетического фактора в биосинтезе ферментов (экстенсивный метод регуляции активности), производительность биотехнологических процессов зависит и от состава питательной среды. При этом важно не только наличие субстратов и энзимов, но и биорегуляторов, играющих роль индукторов или репрессоров биосинтеза данного конкретного фермента. Механизм этого феномена еще не вполне изучен, но сам факт должен учитываться при выборе технологии гидролиза нативного крахмала [4]. Например, быстрое разрушение зерновой α-амилазы при рН 3,3-4,0 дает возможность выпекать ржаной хлеб из муки, которая содержит избыток α-амилаз при низких значениях рН, чтобы предотвратить излишнее декстринирование крахмала в мякише хлеба.

Одним из механизмов регуляции скорости расщепления крахмальных гранул является система протеиновых ингибиторов амилаз, широко представленных у растений. Ингибиторы белковой природы избирательно взаимодействуют с амилазами и образуют неактивные комплексы "энзим + ингибитор". Например, высокой активностью обладают ингибиторы амилаз картофельного сока.

Для получения высокоактивных биотехнологических препаратов амилаз используют грибы: Aspergillus oryzae, A. niger и A. wentii. В хлебопечении чаще используют ферментные препараты грибов, в которых α-амилаза быстро инактивируется при выпечке и этим предотвращается нежелательное накопление избытка декстринов. Замена солода энзимными препаратами в спиртовых производствах увеличивает выход целевого продукта.

Среди бактерий к активным продуцентам амилаз относятся некоторые бациллы (Bacillus macerans, В. polymyxa, В. subtilis) и др. Например, в работе [5] исследованы межчастичные взаимодействия осахаривающих амилолитических ферментов в продуктах культивирования нескольких штаммов В. subtilis по отношению к крахмальному субстрату.

Амилолитические энзимы отличаются по своей термостабильности: например, α-амилаза более устойчива к воздействию высоких температур. В пищевых предприятиях эффективно используются разнообразные амилазы, активность которых зависит от температуры, рН среды, наличия ионов биогенных металлов (активаторов или ингибиторов) и т.д. Получить хлеб с надлежащей пористостью, объемом и окраской корки можно только в том случае, если на всех стадиях технологического процесса достаточно сахаров, обеспечивающих интенсивность газообразования.

Таким образом, активность ферментов, катализирующих гидролиз макромолекул крахмал, можно регулировать на супрамолекулярном уровне разнообразными технологическими методами.

Литература:

1. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова A.A. и др. Пищевая химия. – СПб. : ГИОРД, 2012. - 668 с.

2. Машуков Н., Халиков Р., Хараев А. Стабилизация и модификация молекулярных структур. – Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2014. - 216 с.

3. Van der Maarel M., van der Veen B., Uitdehaag J. et al. Properties and applications of starch-converting enzymes of the α-amylase family // Journal of Biotechnology. 2002. V.94. N.2. P.137-155.

4. Папахин А.А., Бородина З.М., Лукин Н.Д. и др. Методика оценки действия амилолитических ферментов на нативный крахмал // Хранение и переработка сельхозсырья. 2014. № 4. С.14-17.

Алеева С.В., Кокшаров С.А. Проявление межчастичных взаимодействий амилолитических ферментов // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2004. Т. 47. №7. С.12-15.