Enzimi u prehrambenim

proizvodima

Enzimi

Enzimi su specifična grupa proteina koju sintetizuju žive ćelije, a celokupnost svih hemijskih procesa u organizmu koju nazivamo

metabolizmom moguća je samo zbog njihovog delovanja. To su kompleksniproteini koji deluju kao katalizatori u skoro svim biohemijskim procesima.

Mnogi enzimi sadrže elemente u tragovima, kao što su Mn, Fe ili Zn, bez kojih ti enzimi ne mogu funkcionisati.

Aktivnost enzima zavisi od prisutnosti adekvatnih vitamina i minerala.

Od njihove aktivnosti zavisi rast, sazrevanje, čuvanje i proizvodnjanamirnica. Važna karakteristika enzima, koja ih razlikuje od neorganskihkatalizatora je njihova specifičnost. Oni poseduju specifičnost premasupstratu, tj. reaguju sa tačno određenim međuproduktom metabolizma. Najčešće ne reaguju ni sa vrlo srodnim jedinjenjima. Enzimi pokazuju ispecifičnost delovanja, pa od mnogobrojnih reakcija u koje može ući nekimetabolit katalizovana je samo jedna.

Holoenzim

Kofaktor Apoenzim

Metalni joni Koenzim

Prostetička grupa

Kosupstrat

Neorganski kofaktori

Element Enzim

Cu2+ Citohrom-oksidaza

Fe2+, Fe3+ Citohrom-oksidaza, katalaza

K+ Piruvat-kinaza

Mg2+ Heksokinaza, piruvat-kinaza

Mn2+ Arginaza

Mo Dinitrogenaza

Ni2+ Ureaza

Se Glutation

Zn2+ Karbonanhidraza, alkohol-dehidrogenaza

Definicija enzimskih preparata

Enzimski preparati su proizvodi dobijeni iz životinjskih, biljnih ili mikrobioloških izvora koji sadrže jedan ili višeenzima, a mogu da se sastoje iz celih ćelija, delova ćelija iliekstrakata bez ćelija iz polaznog materijala, kao i ostatakahranljive podloge, rastvarača, aditiva, pomoćnih sredstavau proizvodnji i drugih supstanci dodatih u skladu sa

dobrom proizvođačkom praksom;

Enzimi su biološki aktivni proteini koji katalitičkiubrzavaju biohemijske reakcije.

(„Sl. list SRJ“, br. 12/2002 i „Sl. list SCG“, br. 56/2003 –

dr. pravilnik i 4/2004 – dr. pravilnik)

Poreklo enzima

Životinjska tkiva koja se koriste za proizvodnju enzimskih preparata moraju da odgovaraju propisima o kvalitetu i drugim zahtevima za meso, a u proizvodnji se

sa njima mora postupati u skladu sa zahtevima higijenske prakse.

Biljni materijal koji se koristi za proizvodnju enzimskih preparata ne sme da

sadrži sastojke koji u prerađenom prehrambenom proizvodu ostavljaju rezidueštetne po zdravlje ljudi.

Mikrobiološki materijal koji se koristi za proizvodnju enzimskih preparata mogu

biti prirodni sojevi ili varijeteti mikroorganizama, ili može da bude dobijen izprirodnih sojeva ili varijeteta procesima selektivnog serijskog kultivisanja ili

genetskom modifikacijom. Sojevi ili varijeteti moraju da budu stabilni i jasno

diferencirani kao sirovine za proizvodnju enzimskih preparata koji imaju

posebne specifikacije.

Hranljive podloge koje se koriste za kultivisanje mikroorganizama ne smeju da

ostavljaju rezidue štetne po zdravlje ljudi u prerađenom prehrambenomproizvodu.

Enzimski preparati

Enzimski preparati mogu da se stavljaju u promet kao:

1) tečni enzimski preparati;2) polutečni (koncentrisani) enzimski preparati;3) suvi enzimski preparati (enzimski preparati u prahu);

4) imobilizovani enzimski preparati (preparati u kojima su enzimi fizičkimili hemijskim postupcima vezani za nerastvorljive nosače).

(„Sl. list SRJ“, br. 12/2002 i „Sl. list SCG“, br. 56/2003 – dr. pravilnik i

4/2004 – dr. pravilnik)

Enzimski preparati mogu da sadrže najviše:1) 3 mg/kg As;

2) 10 mg/kg Pb;

3) 40 mg/kg teških metala računatih kao Pb.

Digestivni enzimi i enzimi u hrani

Enzimi su u velikim količinama prisutni u sirovim namirnicama izapočinju proces probave u ustima i želucu. Uključuju proteaze zavarenje proteina, lipaze za varenje masnoća i amilaze za varenje UH.Amilaze iz pljuvačke doprinose razgradnji UH već dok se žvaću i svienzimi koji se nalaze u namirnicama nastavljaju ovaj proces u želucu. Probavne žlezde izlučuju želudačnu kiselinu i pepsinogen koji započinjurazgradnju proteina, kao i faktor potreban za apsorpciju vitamina B12.

Veći broj enzima potrebnih za potpunu probavu hrane izlučuje se tek u tankom crevu i pankreasu.

Enzimi u sirovoj hrani, posebno u sirovim fermentisanim namirnicama,

pomažu proces probave i smanjuju potrebu tela da proizvodi digestivneenzime. Svi enzimi se deaktiviraju na temperaturi od 48º C kod kuvanja.

Podela enzima

Enzimi su prema tipu reakcije podeljeni u 6 glavnih grupa:

oksidoreduktaze, transferaze, hidrolaze, liaze, izomeraze i ligaze.

Oksidoreduktaze - enzimi koji katalizuju redoks reakcije. Važni su jer ovi procesi omogućavaju dobijanje toplote i energije.Transferaze - enzimi koji katalizuju reakcije transfera funkcionalnih

grupa između dva supstrata.Hidrolaze - poznati kao i hidrolitički enzimi, katalizuju reakcije hidrolize UH, proteina i estara.

Liaze - enzimi koji katalizuju reakcije uklanjanja grupa iz supstrata

formiranjem dvostrukih veza.

Izomeraze - enzimi koji katalizuju reakcije izmene cis-trans ili L-D

izomera.

Ligaze - poznate kao sintetaze, katalizuju reakcije kuplovanja dva

supstrata.

Uloga enzima

Oksidoreduktaze

Katalizuju redoks reakcije supstrata

Katalizuju važne reakcije hrane: Lipoksigenaza – oksiduje masti (dodavanjem kiseonika masnim

kiselinama),

PPO – polifenol oksidaza – doprinosi tamnjenju hrane usled

oksidacije fenola u hrani

Oksidoreduktaze Lipoksigenaze

Nalaze se u mnogim biljkama (mahom mahunarkama) i životinjskim organima (riblja krljušt). Specifične za oksidaciju masnih kiselina koje sadrže cis, cis-1,4-dien jedinice (linolna kiselina (2 dvostruke veze), linoleinska kiselina (3 dvostruke veze) i arahidonska kiselina (4

dvostrukih veza)).

Izbeljuje proteine koji daju boju pšenici i soji. Učestvuje u formiranju S-S veze u glutenu u testu, pa nije potrebno dodavati hemijske

oksidante.

Produkti raspadanja hidroperoksida daju loš ukus i miris hrani.

Proizvodi oksidacije mogu oksidovati proteine i narušiti teksturu

hrane. Oksidacija masti vodi gubitku esencijalnih polunezasićenih masnih kiselina čime se smanjuje nutritivna vrednost hrane. Vitamini takođe mogu podleći reakcijama oksidacije. Može izazvati bledenje hlorofila i karotena.

Aktivnost lipoksigenaza može se smanjiti korišćenjem antioksidanata.

Polifenol oksidaza (PPO)

Nalazi se u biljkama (voću i povrću), životinjama, insektima i mikroorganizmima. Katalizuje oksidaciju fenolnih jedinjenja

(mono i/ili di-fenola) u prisustvu O2 i formira

hinone koji polimerizuju u pigment melanin.

Aktivnost se može inhibirati: uklanjanjem O2, pH

Transferaze

Katalizuju prenos funkcionalnih grupa od donora ka akceptorima.

(Kinaza reguliše metabolizam prenošenjem fosfata od ATP ka

drugim molekulima.) Bez značaja u prehrambenim namirnicama

Hidrolaze

Katalizuju hidrolizu supstrata (raskidanje veza u vodenom okruženju)

Najvažniji enzimi u procesu proizvodnje hrane i sa aspekta kvaliteta hrane

Proteaze (raskidanje peptidne veze) određuju teksturu i modifikacije proteina

Amilaze (raskidanje glikozidnih veza) i pektinaze određuju teksturu i modifikacije UH.

Lipaze (raskidanje esternih veza) – razgradnja masti

Hidrolaze

Proteaze (hidrolitičko raskidanje peptidne veze u proteinima)

Papain – nalazi se u papaji. Aktivan u širokom opsegu pH (3-11) i temperaturno stabilan. Koristi se za omekšavanje mesa, ulazi u mišićno tkivo i hidrolizuje proteine vezivnog tkiva (kolagen) i omekšava mišiće. Slično dejstvo imaju ficin (iz smokve), bromelain (iz ananasa), aktinidain (iz kivija).

Invertaze (hidrolitičko raskidanje glikozidne veze između glukoze i fruktoze u sukrozi)

Dobijaju se invertni šećeri, što je pogodno u konditorskoj industriji jer invertni šećeri su slađi i imaju manju tendenciju da kristaliziraju.

Laktaze (hidrolitičko raskidanje glikozidne veze između galaktoze i glukoze u laktozi)

Povećavaju slatkost i rastvorljivost šećera. Koriste se u mlečnoj industriji kako bi se smanjila kristalizacija u sladoledima i proizveli proizvodi bez laktoze. β-galaktozidaze biljnog, životinjskog ili mikrobiološkog porekla.

Pektinaze

Nalaze se uglavnom u voću i povrću i učestvuju u razgradnji pektinskih supstanci

Pektin-metil-esteraza – hidrolizuje metil-estarske veze pektina, što

rezultuje izbistrivanjem voćnih sokova. Prevodi koloidni pektin u nekoloidni, te se koristi u proizvodnji bistrih sokova.

Hidrolaze

Liaze

Katalizuju uklanjanje/dodavanje hemijskih grupa supstratu

Dodavanje vode, amonijaka ili CO2 preko dvostrukih veza ili njihovo

uklanjenje uz stvaranje dvostrukih veze. Bez značaja u hrani.

Izomeraze

Katalizuju intramolekulska premeštanja (izomerizacija L u D oblik),

reakcije mutaze (promena grupa)

Glukoza izomeraza- prevodi aldoze u ketoze (Glu→Fru)

Ligaze

Katalizuju reakcije kombinovanja supstrata uz korišćenje energije iz

ATP. Bez značaja u hrani.

Glukozna izomeraza

Katalizuje izomerno preuređivanje glukoze do fruktoze (aldoze do ketoze)

Dobija se slađi proizvod koji se naziva visokofruktozni sirup. Dobija se iz kukuruznog skroba, koji se pak

razgrađuje dejstvom α-amilaze

Izomeraze

Enzimi u prehrambenoj industriji

Primena enzima kao industrijskih katalizatora danas je sve češća,

usled širokog spektra reakcija koje mogu katalizovati: redoks

procesi, inter- i intra-molekularni prenosi različitih hemijskih

grupa, hidrolize, cepanje kovalentnih veza, izomerizacija i adicija

hemijskih grupa na dvostruke veze.

Moguće je katalizovati gotovo sve organske i mnoge neorganske

reakcije jednim ili sa više enzima.

Najčešće primenjivani enzimi u raznim granama prehrambene

industrije su oni iz grupe hidrolaza, oksidoreduktaza, kao i neke

izomeraze.

Enzimi u prehrambenoj industrijiIndustrijski enzimi dobijaju se iz:

1. Biljaka (amilaze slada, papain, bromelin, ficin i dr.)

2. Životinja (enzimi pankreasa, katalaza, renin i dr)3. Mikroorganizama (amilaze, proteaze, pektinaze, invertaze i td).

Industrija šećera je jedan od glavnih potrošača enzima, koje koristi kodhidrolize skroba u svrhu dobivanja modifikovanog skroba, dekstrina,

glukoze i fruktoze.

U mlečnoj industriji enzim β-galaktozidaza katalizuje razgradnju laktoze -slabo rastvornog mlečnog šećera, kojeg digestivni trakt ne apsorbuje. Proizvodi reakcije su konstituenti laktoze, jednostavni šećeri glukoza igalaktoza. Time se rešava problem organske nepodnošljivosti laktoze koja

zbog nedostatka laktaze u digestivnom traktu, postoji kod velikog dela

stanovništva.

Pekarska industrija je jedan od najstarijih i najvećih korisnika

enzima. Brašno, kao osnovi sastojak pekarskih proizvoda sadrži skrob

kao glavni sastojak ,nešto proteina i nekoliko enzima. Zbog toga je u

pekarstvu, stepen razgradnje skroba od interesa, a on zavisi od

aktivnosti prirodno prisutne amilaze u brašnu. Slabija aktivnost, znači

manje količine glukoze oslobođene iz skroba, što vodi i manjoj

količini CO2 potrebne kvascu. Problemi se rešavaju dodavanjem

fungalne amilaze, koja se inaktivira kod 60º C. Fungalna proteaza se, s

druge strane, dodaje radi promene fizičkih svojstava testa, a lipo-

oksigenaza radi izbeljivanja prirodnih obojenih pigmenata testa.

Amilaze iz gljiva i biljaka se koriste u dobijanju šećera iz skroba u proizvodnji kukuruznog sirupa.

Katalize se koriste u pretvaranju skroba u šećer i u fermentacionim procesima kvasca koji dovode do dizanja testa prilikom pečenja.Proteaze se koriste u proizvodnji biskvita smanjenjem sadržaja proteina.Tripsin se koristi u pripremi hrane za bebe.

Enzimi iz ječma se uveliko koriste u industriji piva: amilaze, glukanaze, proteaze, β-glukanaze, arabinoksilaze, amiloglukosidaza,

acetolaktatdekarboksilaze.

Celulaza, pektinaza pomažu u bistrenju voćnih sokova.Renin se koristi u industriji sireva. Lipaze se koriste za sazrevanje plavih

buđavih sireva. Laktaza razgrađuje laktozu na glukozu i galaktozu.Papain se koristi za omekšavanje mesa.

Amilaze, amiloglukozidaze i glikoamilaze prevode skrob u glukozu i

sirup.

Glukozna izomeraza poboljšava slatkost i smanjuje kalorijsku vrednost

Primena enzima u prehrambenoj industriji

Enzim Primena

α-amilazaDigestija skroba, poboljšanje kvaliteta hleba, izbistravanje

voćnih sokova

glukoamilazaDigestija maltoze, proizvodnja piva, dobijanje

visokofruktoznog i visokoglukoznog sirupa

proteazeDigestija proteina, omekšavanje mesa, koagulacija mleka,

poboljšanje kvaliteta hleba

laktaza Digestija laktoze,

lipazaDigestija masti, proizvodnja sira čedar, poboljšanje arome

sireva

fosfolipazapoboljšanje arome sireva, proizvodnja lipolizovanih

mlečnih masti

esterazaPoboljšanje ukusa i mirisa voćnih sokova, dobijanje estara

kratkih lanaca

Enzim Primena

celulaza Izbistravanje voćnih sokova

ksilanaza Izbistravanje voćnih sokova, poboljšanje kvaliteta piva

pektinaza Izbistravanje voćnih sokova

glukoza oksidaza Poboljšanje kvaliteta hrane, produženje roka trajanja

katalazaProduženje roka trajanja, uklanjanje vodonik-peroksida iz

mleka pre proizvodnje sira

lakaza Uklanjanje polifenola iz vina,

Invertaza Digestija saharoze

asparaginaza Smanjenje formiranja akrilamida tokom pečenja

peroksidaza Poboljšanje boje, ukusa i nutritivne vrednosti hrane

naringinaza Uklanjanje gorkog ukusa voćnih sokova

Metalni joni kao kofaktori

Mg

Aktivira neke enzime koji hidrolizuju estarske fosfatne veze (fosfataze) ili

prenose fosforne grupe od ATP do akceptora (kinaze). U oba slučaja Mg2+

jon se ponaša kao elektrofilna kiselina, polarizuje P-O vezu fosfatnih

ostataka supstrata i olakšava nukleofilnu reakciju (vode iz hidrolize).

Glukokinaza katalizuje fosforilaciju glukoze do glukoza-6-fosfata uz ATP

kao kosupstrat. Nalazi se u jetri i pankreasu i reguliše metabolizam glukoze

β-galaktozidaza

β-Galaktozidaza je enzim koji se koristi za katalizovanje reakcije

hidroloze laktoze. Za industrijske svrhe dobija se iz mikroorganizama

(Lactobacillus acidophilus, bakterije mlečne kiseline, E. coli). Koristi se u proizvodnji jogurta, kisele pavlake, nekih sireva koji se tretiraju ovim

enzimom kako bi se razorila laktoza.

β-Galaktozidaza (iz E. coli) je homotetramer, gde svaki monomer čine 1023 aminokiselina koje formiraju 5 definisanih strukturnih domena.

Aktivno mesto se nalazi u trećem domenu

Monovalentni joni Na+, kao i dvovalentni joni Mg2+ neophodni su

za stabilizaciju strukture kako ne bi disosovala na monomere čime se gubi enzimska aktivnost. Nalaze se u okviru aktivnog mesta, i

dok Na+ jon direktno vezuje se za molekul laktoze, Mg2+ joni ne

učestvuju u vezivanju.

Zamena Mg kalcijumom može dovesti do inhibicije enzima kinaze, jer je Ca2+ jon slabija kiselina od Mg2+ jona. Povećanje aktivnosti enzima pomoću Ca2+ jona bazira se na sposobnosti jona da interaguje sa negativno naelektrisanim mestima na ostacima AK i time doprinosi

stabilizaciji enzimske konformacije (α-amilaza). Aktivnost enzima

može biti uzrokovana i učešćem Ca2+ jona u vezivanju supstrata (lipaze).

Kalcijum

Kofaktor je enzima koji nisu uključeni u redoks reakcije pod fiziološkim uslovima. Mg2+ i Zn2+ su kiseline slične jačine pa zamena Mg2+ jona Zn2+ jonom i obrnuto ne vodi gubljenju

enzimske aktivnosti. Ima ulogu stabilizatora enzimske

konformacije, a direktno učestvuje u katalizi u okviru enzima alkohol-dehidrogenaze.

Ovaj enzim sadrži dva identična polipeptidna lanca sa po jednim aktivnim mestom. Dva od četiri Zn2+ jona lako disosuju, pri čemu se ne narušava kvaternarna struktura, ali se gubi na aktivnosti

enzima. Zn joni polarizuju C-O veze supstrata i olakšavaju transfer

H+ jona ka/od kosupstrata.

Cink

Kofaktor je karboksipeptidaze gde stabilizuje C-O vezu tokom

hidrolize peptidne veze.

Redoks sistem Fe2+/Fe3+ je pogodan za procese prenosa elektrona.

U okviru citohroma ovaj sistem učestvuje u procesu disanja kao i biosinteze nezasićenih masnih kiselina. Enzimi koji sadrže Fe dele se na hem i ne-hem proteine (lipoksigenaza, ksantin-oksidaza).

Peroksidaze iz namirnica biljnog porekla i nekoliko katalaza sadrže Fe3+-protoporfirin (hemin) kao prostetičku grupu i kao hromofore doprinose braon boji enzima.

Gvožđe

Ksantin-oksidaza iz mleka reaguje sa mnogim elektron donorima i

akceptorima. Ovaj enzim je najaktivniji sa supstratima kao što su

ksantin ili hipoksantin kao elektron donori i O2 kao elektron

akceptor. Enzim sadrži dva aktivna mesta, koja sadrže po 4 Fe-atoma i 1 Mo-atom. Tokom oksidacije ksantina do mokraćne kiseline kiseonik se redukuje u dva koraka do H2O2, transferom elektrona:

Molibden

Polifenol oksidaza (PPO) i oksidaza askorbinske

kiseline, enzimi koji se nalaze u hrani, sadrže redoks sistem Cu2+/Cu+ kao prostetičku grupu. PPO ima važnu ulogu u određivanju kvaliteta biljnih namirnica jer uslovljava pojavu

„enzimskog potamnjivanja“. Katalizuje dve

reakcije: hidroksilaciju monofenola do o-difenola

(monofenol-monooksigenaza), koji se oksiduje

do o-hinona (oksigen-oksidoreduktaza).

Bakar

PPO sadrži 2 Cu+ jona sa dva ostatka histidina u aktivnom mestu. Enzim najpre vezuje kiseonik, formira se intermedijer, a zatim vezuje

monofenol. Novoformirani kompleks jako polarizuje O-O vezu što

dovodi do hidroksilacije do o-difenola. Ciklus se završava sa oksidacijom

o-difenola do o-hinona.

Lakaza

Oksidacioni enzim koji sadrži 4 Cu+ jona, a koji se može naći kod mnogih biljaka, gljivica i mikroorganizama. 3 od 4 Cu+

jona čine centar koji učestvuje u vezivanju molekula O2 i njegove

redukcije do H2O. Svaki Cu+/Cu2+ par

donira po 1 e- neophodan za redukciju.

Četvrti Cu+ jon ne učestvuje u vezivanju kiseonika, ali predstavlja mesto transfera

elektrona

Učestvuje u degradaciji lignina i otklanjanju fenola, koji je toksični nusproizvod ovog procesa.

U nekim mikroorganizmima učestvuje u stvaranju pigmenata