ENZIMOLOGIE

Enzimele sunt constitueni proteici (heteroproteici) ai celulelor vii (animale, vegetale sau microbiene), care catalizeaz reaciile metabolice de catabolism sau anabolism. Se apreciaz c n materia vie exist peste 10000 de enzime, dintre care 2000 au fost izolate i investigate sub aspectul structurii, mecanismului lor de aciune, etc.Proprietile generale ale enzimelor: Catalizatori cu eficien maxim (n cantiti extrem de mici:10_6 sau chiar 10_9) induc reacii cu viteze foarte mari; Enzimele au specificitate de aciune (induc un anumit tip de reacii: oxidoreducere, hidroliz, sintez etc.) i specificitate de substrat (acioneaz numai asupra unui reactant sau grup de substane reactante); Mediile n care se produc reaciile catabolizate enzimatic sunt compatibile cu viaa (temperatur, presiune normale, pH neutru sau slab acid alcalin); Intervin n mecanismele de coordonare, reglare i control ale reaciilor metabolice celulare.

Clasificarea enzimelor

A. Clasificarea enzimelor dup criteriul structural:Enzime de natur proteic (pepsina, tripsina, papaina etc.);Enzime de natur heteroproteic, alctuite dintr-o poriune proteic i o component neproteic (denumit coenzim sau cofactor enzimatic care poate fi reprezentat de derivai ai hemului, ai unor vitamine din complexul B, nucleotide, ioni metalici). Cele dou componente separate sunt inactive din punct de vedere catalitic. n urma cuplrii lor rezult complexul molecular apoenzim-coenzim (holoenzima), care manifest activitate catalitic.

B. Clasificarea enzimelor dup organizarea lor:Enzime monomerice-constituite dintr-un lan polipeptidic;Enzime oligomerice- alctuite din mai multe lanuri polipeptidice, care n urma disocierii sau asocierii devin catalitic active.Complexe multienzimatice- formate din enzime legate prin interaciuni necovalente, care particip la producerea unor secvene de reacii biochimice consecutive i nlnuite, unde produsul rezultat n reacia catalizat de prima enzim (I) devine substratul celei de a doua enzime (II), iar produsul rezultat din aceast reacie va reprezenta substratul enzimei III, i astfel pn la realizarea ntregului ir de reacii prin care este metabolizat un component biochimic.

C. Clasificarea enzimelor dup locul de aciune n raport cu celula:Enzime fermentative intracelulare;Enzime fermentative extracelulare;

Enzime fermentative intracelulare i extracelulareEnzime fermentative intracelulareAcioneaz numai asupra compuilor care au ptruns n interiorul celulelor microbiene (mas mol. mic);Rmn ataate biomasei dup separarea produilor de reacie obinui prin fermentaie.Pot fi produse:n cant. mari n faza de multiplicare logaritmic, au rol esenial n metabolism (au activitate enzimatic de cel puin 100 UE/ml);n cantiti mici (au rol secundar n metabolism) i au activitate enzimatic sub 100UE/ml. Pt. a fi utilizate la randament maxim trebuie s fie imobilizate.

Ex: enzime intracelulare: -galactozidaza produs de Saccharomyces cerevisiaeGlucozoizomeraza produs de Streptomyces sp.Lactaza- Candida tropicalis;Glucozoxidaza- Aspergillus niger.

Enzime fermentative extracelulareSunt secretate de celul n mediul de cretere- au posibilitatea s acioneze i asupra unor substraturi macromoleculare din mediu (proteine, amidon).Sinteza lor este dependent de condiiile de mediu: T, pH, prezena inductorilor sau represorilor enzimatici.Se pot separa uor de biomasa celular;Reprezint cca. 80% din enzimele de fermentaieFac parte din categoria hidrolazelor (amilaze, proteaze, celulaze)

ENZIME UTILIZATE MAI FRECVENT N INDUSTRIA ALIMENTAR OXIDOREDUCTAZELE

Oxidoreductazele catalizeaz reaciile de oxidoreducere prin diferite mecanisme:

Transfer de hidrogen (transhidrogenaze, dehidrogenaze);Transfer de electroni (transelectronaze);Combinarea direct a unui substrat cu oxigenul molecular (oxidaze). Activitatea catalitic a acestor enzime este exercitat prin intermediul unor coenzime, care se comport ca acceptori intermediari ntre substratul donor i cel acceptor, care pot fi: Nicotin-adenindinucleotidice NAD, NADP+;Flavinice : flavinmononucleotidul FMN sau flavinadenindinucleotidul FAD

Aciunile oxidoreductazelorAciuni favorabile ale oxidoreductazelor:Procese metabolice (glicoliza, fermentaii, ciclul acizilor tricarboxilici, respiraia celular etc.) care se desfoar n materiile prime alimentare;Procese fermentative realizate prin intermediul microorganismelor, n vederea obinerii unor produse alimentare;Albirea (decolorarea) finii de gru;Prevenirea mbrunrii de tip Maillard;ndeprtarea apei oxigenate reziduale.

Aciuni nefavorabile ale oxidoreductazelor:mbrunarea neenzimatic;Descompunerea acidului ascorbic;Degradarea oxidativ a alimentelor.

Oxidoreductaze

Oxidoreductaze FAD- dependente (flavinenzime sau dehidrogenaze aerobe)Reprezentani: glucozoxidaza obinut din:Aspergillus nigerPenicillium vitaleAplicaii: reacia de oxidare a glucozei la acid gluconic, n tehnologia de obinere a prafului de albu de ou. n acest produs nu trebuie s se gseasc glucoz liber, care ar participa la procesul de mbrunare Maillard.

Oxidoreductaze NAD- dependente (dehidrogenaze anaerobe)Reprezentani i aplicaii: Alcooldehidrogenaza catalizeaz transformarea alcoolului etilic n acetaldehid.Lactatdehidrogenaza catalizeaz reducerea acidului piruvic la acid lactic. Acidul lactic reprezint etapa final a glicolizei i a fermentaiei lactice.Acetaldehidrogenaza catalizeaz oxidarea aldehidei acetice (rezultate din transformarea alcoolului etilic din vin sub aciunea alcooldehidrogenazei, n condiii aerobe) n acid acetic (n procesul de oeire a vinurilor).

Oxidaze

Oxidazele catalizeaz reaciile diferitelor substraturi cu oxigenul molecular sau cu peroxizii. Oxidazele, n funcie de mecanismul de aciune, se clasific: oxigenaze (monooxigenaze i dioxigenaze), oxidaze transportoare de electroni (citocromoxidaza, cupruoxidazele etc.), hidroxiperoxidaze (catalaze i peroxidaze).Lipoxigenaza este o dioxigenaz (carotenoxidaz). Se gsete n soia, mazre, fasole, arahide, cartofi, ridichi. Temperaturile sczute nu inhib activitatea enzimei, care este responsabil de producerea mirosurilor nedorite din produsele vegetale. Lipoxigenaza din soia se utilizeaz la albirea finii de gru, prin distrugerea carotenilor.Ascorbatoxidaza catalizeaz oxidarea acidului ascorbic.Aplicaii: enzima este utilizat la producerea sucurilor de fructe.

Peroxidazele catalizeaz reaciile de oxidoreducere n prezena peroxizilor (de hidogen sau alt peroxid organic). Peroxidaza din hrean are masa molecular de 40 000 Daltoni i conine un atom de fier/molecul. Este stabil la pH 4-12 i are pH optim 7,0. Manifest o mare stabilitate termic (100o C). Peroxidaza din ficat i lactoperoxidaza prezint proprieti asemntoare. Termostabilitatea peroxidazelor st la baza determinrii activitii peroxidazice din legume, fructe, lapte, supuse tratamentelor termice (pasteurizare), ca indicator al eficienei acestor tratamente.Catalaza reprezint o peroxidaz special care oxideaz o molecul de H2O2 la oxigen, cu reducerea simultan a celei de a doua molecule la H2O.2 H2O2 catalaz 2H2O+ O2Surse comerciale de catalaz: ficatul de bovine, Aspergillus niger, Micrococcus lysodeikticus (enzima este eliberat prin liza peretelui bacterian sub aciunea muramidazei), Lizozim etc. Aplicaii: catalaza este utilizat la descompunerea apei oxigenate reziduale, cnd este folosit pentru sterilizarea la rece a laptelui la ferm sau dac laptele este utilizat la fabricarea brnzeturilor (buteizaie).

HIDROLAZELE

Aceste enzime scindeaz hidrolitic substraturile, acionnd asupra legturilor C-O, C-N, C-S, C-C, P-N etc.Principalele hidrolaze de interes pentru biotehnologiile alimentare sunt:Lipazele, esterazele i fosfolipazele;Amilazele;Celulazele i hemicelulazeleEnzimele pectoliticePeptidhidrolazele

Lipazele, esterazele i fosfolipazele

Lipazele sunt utilizate n industria alimentar, n diferite etape tehnologice, cum ar fi:Hidroliza controlat a lipidelor din unele alimente (brnzeturi, salamuri crude), n faza de finisare (maturare), cnd acizii grai rezultai pot participa la aroma produsului;Unele preparate enzimatice se utilizeaz la maturarea brnzeturilor:Lipaza gastric;Lipaza pancreatic;Esteraze pregastrice;Esteraze obinute din unele mucegaiuri: Penicillium caseicolum, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Mucor miehei sau esteraze bacteriene produse de Pseudomonas fluorescens i Pseudomonas fragilis.

Mecanisme de aciune ale lipazelor, esterazelor i fofolipazelor

Lipazele acioneaz asupra trigliceridelor, avnd afinitate pentru acizii grai cu lan lung;Esterazele acioneaz fa de gliceridele ce conin acizi grai cu lan scurt;Fosfolipazele (lecitinazele) sunt de mai multe tipuri, n funcie de legtura asupra creia acioneaz din cadrul moleculei de fosfolipide.Fosfolipazele sunt activate de Ca2+ i de srurile care menin lipidele n stare de emulsie. Degradarea necontrolat a lipidelor din unele alimente cu coninut ridicat n grsimi, conduce la acumularea de acizi grai liberi, ceea ce determin creterea aciditii produsului i apariia gustului de rnced. Pentru a diminua lipoliza necontrolat, se recomand: reducerea coninutului de ap liber a materiei prime, reducerea timpului de conservare, asigurarea unei temperaturi sczute pe parcursul depozitrii materiei prime i a produselor.

Enzime oligozidazice i poliglucozidazice

-Glucozidaza (emulsina)- este sintetizat de Alcaligenes fecalis, Aspergillus niger, Saccharomyces lactis;este utilizat pentru ndeprtarea gustului amar al sucului de grepfruit.-Galactozidaza este elaborat de Penicillium duponti, Absidia grisela, Aspergillus awamori, Bacillus stearothermophilus;descompune rafinoza n galactoz i zaharoz. este utilizat n industria zahrului n scopul recuperrii zahrului din melas i n industria derivatelor proteice de origine vegetal, pentru eliminarea glucidelor care fermenteaz n colon i produc flatulen.

-Galactozidaza (lactaza) hidrolizeaz lactoza n glucoz i galactoz; este sintetizat de Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Kluyveromyces fragilis i Kluyveromyces lactisse utilizeaz ca preparate enzimatice n industria laptelui, n special la obinerea laptelui i a produselor lactate delactozate, destinate copiilor cu intoleran la lactoz.Invertaza (-Fructozidaza) hidrolizeaz zaharoza n glucoz i fructoz; este sintetizat de Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlbergensis, Kluyveromyces fragilis; se utilizeaz la obinerea zahrului invertit. Prin invertirea zaharozei se previne zaharisirea (cristalizarea n produsele de bombonerie)

Amilazele

Amilazele descompun amidonul, care este alctuit din amiloz i amilopectin.Dup tipul de legturi hidrolizate, amilazele se clasific astfel:Enzime care hidrolizeaz legturile glucozidice -1,4 (- amilaza i - amilaza);Enzime care hidrolizeaz legturile glucozidice -1,6 (pullulanaza i izoamilaza);Enzime care hidrolizeaz att legturile glucozidice -1,4 ct i -1,6 (amiloglucozidaza sau glucoamilaza).n general, pentru descompunerea amidonului pe cale hidrolitic, sunt utilizate 3 enzime:- amilaza bacterian care acioneaz la pH 6,5 i temperatura de 85C i lichefiaz amidonul care a fost gelatinizat;

amiloglucozidaza fungic care acioneaz la pH 3,5- 6,5 i temperatura de 3565C, din care rezult siropul de glucoz;- amilaza i pullulanaza au acelai pH i aceeai temperatur de aciune ( pH 6,0 i temperatura de 45C), acioneaz simultan asupra amidonului lichefiat i l transform n sirop de maltoz.

Structura amilozei si amilopectinei

Celulazele i hemicelulazeleAceste enzime hidrolizeaz celuloza i hemicelulozele (- glucani, pentozani, galactomanani).Celulazele sunt folosite pentru hidroliza celulozei de provenien vegetal, pn la glucoz. Aplicaii: la obinerea sucurilor de fructe, pentru a optimiza extracia sucurilor din fructe, a mustului din struguri.Enzimele pectoliticeEnzimele din aceast grup hidrolizeaz substanele pectice din unele produse vegetale, n special din mere i citrice. Substanele pectice au caracter gelifiant (glucide cu consisten de gel) i sunt reprezentate de polimeri ai acidului galacturonic. Aceste enzime sunt utilizate n industria sucurilor de fructe i legume i la obinerea mustului de struguri (optimizarea gradului de extracie, limpezire- scad vscozitatea i cresc filtrabilitatea etc).Sunt sintetizate de unii fungi: Aspergillus niger, A. japonicus, Saccharomyces fragilis etc.

PeptidhidrolazeleAceste hidrolaze scindeaz legturile peptidice din proteine, oligopeptide, avnd ca rezultat obinerea de peptide cu mas molecular mai mic i aminoacizi. Peptidhidrolazele pot fi de provenien: vegetal, animal,microbian.Peptidhidrolazele de origine vegetal sunt proteinazele alcaline (tiolice), utilizate n special n industria crnii, la procesul de frgezire. Ex: bromelina (obinut din sucul de ananas), papaina (din latexul fructelor Caryca Papaia) i ficina (din latexul fructului de smochin).

Peptidhidrolazele de origine animal sunt chimozina i pepsina cu aciune coagulant, tripsina cu aciune proteolitic. Chimozina cheagul sau labfermentul este obinut din prestomace de rumegtoare (viel, miel, ied); -este elaborat de stomacul gladular al rumegtoarelor sub form de prochimozin (forma inactiv), care se transform n chimozin la pH 2,0 i pe cale autocatalitic la pH 5,0. -are pH-ul optim de aciune de aproximativ 5 i este inactivat n 15 min,la 50C;-are aciune coagulant asupra laptelui i proteolitic asemntoare pepsinei i este utilizat la prepararea brnzeturilor.Pepsina este sintetizat sub form de pepsinogen, de glandele gastrice ale mamiferelor, care se transform n pepsin activ la pH

Tripsina este elaborat sub form de tripsinogen de pancreas, care se transform n tripsin activ n intestin, sub aciunea enterokinazei, sau autocatalitic (n prezena tripsinei formate anterior);-acioneaz la pH neutru sau slab alcalin, pH-ul optim este de 8,5. Se utilizeaz n obinerea de hidrolizate proteice.Catepsinele sunt peptidhidolaze localizate intracelular, la nivelul lizozomilor, n esutul muscular, ficat, splin, rinichi, pulmoni etc. Sunt mai multe tipuri de catepsine (A, B, C, D, E) i acioneaz hidrolitic asupra proteinelor tisulare n procesele autolitice.

Peptidhidrolazele de origine microbian sunt sintetizate de mai multe microorganisme, ns sunt utilizate n industria alimentar numai tulpinile nepatogene i netoxigene, aparinnd speciilor: Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus megaterium, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Streptomyces sp., Rhizopus sp., Mucor miehei, Mucor pusillus etc. Proteinazele microbiene sunt asemntoare celor vegetale sau animale. Dintre aceste amintim: subtilizina, metaloproteinazele microbiene, proteinazele acide microbiene etc.IZOMERAZELE Reprezint enzime care catalizeaz rearanjrile intramoleculare, n structurile asupra crora acioneaz. Exemplu: glucozizomeraza, care determin conversia D-glucozei n D-fructoz i este folosit n industria amidonului, pentru obinerea siropului de glucoz cu coninut ridicat de fructoz.Pentru producerea industrial de glucozizomeraz se utilizeaz diferite tulpini microbiene de Streptomyces olivaceus, Streptomyces olivochromogenes, Streptomyces rubiginosus, Bacillus coagulans etc.