Применение ферментов в биотехнологическом производстве сыров

Содержание

1. 1. Роль ферментов в сыроделии3
2. 2. Химозин и коагуляция молока5
3. 3. Протеазы в формировании вкуса7
4. 4. Сравнение ферментных препаратов9
5. Список литературы11

1. Роль ферментов в сыроделии

Ферменты в сыроделии работают как биокатализаторы. Без них превращение молока в сыр было бы невозможно. Именно они запускают ключевой этап коагуляции, когда жидкая эмульсия переходит в плотный сгусток. А затем, в течение долгого созревания, те же ферменты формируют структуру и сенсорные свойства готового продукта. От ферментативных реакций зависит, получится ли из молока упругая моцарелла, рассыпчатая фета или плотный чеддер с характерной текстурой.

История применения ферментов в сыроделии насчитывает не одно тысячелоетие. Традиционным источником коагулирующего агента был сычуг, то есть высушенный отдел желудка молодого теленка. В нем находится природный комплекс протеаз, главной из которых считается химозин. Этот способ использовали еще древние кочевники, хранившие молоко в кожаных мешках, сшитых из желудков животных. Но зависимость от животного сырья создавала серьезные ограничения. С ростом мирового производства сыра возник дефицит телячьих сычугов, а цена на натуральный фермент постоянно колебалась.

Современная биотехнология предложила иной путь. Вместо извлечения ферментов из тканей животных их стали получать с помощью микроорганизмов, в геном которых встроен нужный ген. Такой подход позволяет наладить промышленный синтез ферментов в ферментерах. Препараты получаются стандартизированными по качеству и высокой степени очистки. Сыроделы теперь работают с точными дозировками и прогнозируемым результатом, чего сложно добиться при использовании неоднородного по составу природного сырья.

В арсенале современного сыроделия есть три основные группы ферментов. Первая группа, молокосвертывающие протеазы (упомянутый химозин, а также пепсин и некоторые микробные протеазы). Их задача, запустить образование сгустка, расщепляя белок казеин. Вторая группа,

липазы, которые гидролизуют молочный жир. Их действие особенно важно для сыров с острым, пикантным вкусом, таких как рокфор или пекорино. Именно продукты расщепления жиров создают там характерный букет. Третья группа, ферменты, участвующие в созревании. Они продолжают работать внутри головки сыра неделями или даже месяцами, постепенно разрушая белки и жиры до более простых соединений. Это меняет консистенцию и обогащает вкусовую палитру.

Биотехнологическое получение ферментов решает и вопросы безопасности. Препараты, выращенные на контролируемых культурах микроорганизмов, проходят строгие проверки на отсутствие токсинов и патогенов. Для сравнения, фермент, выделенный из сычуга, мог содержать примеси, состав которых менялся в зависимости от возраста и рациона животного. Стандартизация активности препарата дает технологам возможность точно рассчитывать его количество на тонну молока. Это напрямую влияет на стабильность качества готовой продукции и сокращает риск производственного брака. Поэтому индустриальное сыроделие сегодня в значительной степени опирается на ферментные препараты, полученные методами микробного синтеза.

2. Химозин и коагуляция молока

Химозин относится к классу аспарагиновых протеаз. У жвачных животных его молекулярная масса составляет около 35,7 кДа. Фермент отличается строгой субстратной специфичностью: он атакует только одну пептидную связь, между остатками фенилаланина (105-я позиция) и метионина (106-я позиция) в молекуле k-казеина. Этого единственного разрыва достаточно, чтобы запустить весь дальнейший каскад событий. В результате гидролиза отщепляется гидрофильный макропептид, который уходит в сыворотку, и образуется гидрофобный пара-казеин, остающийся на поверхности мицеллы.

Потеря макропептида резко меняет свойства мицеллы. Её поверхностный заряд снижается, а стерическая стабилизация исчезает: её обеспечивал гидрофильный «ворс» из углеводных цепочек. Теперь мицелла чувствительна к ионам кальция, которые действуют как мостики между соседними белковыми частицами. Коагуляция проходит в две стадии. Первая, ферментативная, длится 5-10 минут. За это время на мицеллах накапливается достаточное количество гидролизованного k-казеина. Когда доля расщеплённых молекул достигает примерно 80%, начинается вторая стадия, агрегация мицелл.

Ферментативная фаза почти не зависит от температуры в диапазоне 15-40 °C. Агрегация, напротив, чувствительна к нагреву. Именно она определяет температурный оптимум химозина, который лежит в узком интервале 30-35 °C. При более низких температурах слипание мицелл замедляется, и сгусток выходит рыхлым и слабым. Если же температура превышает 40 °C, начинает денатурировать сам фермент, и скорость реакции падает. Оптимальная кислотность среды для химозина находится в пределах pH 6,6-6,7, что совпадает с естественным уровнем кислотности свежего молока. Сдвиг pH в кислую сторону ускоряет работу фермента, но при этом сгусток становится более ломким.

Активность химозина принято выражать в условных единицах. Например, в количестве миллилитров молока, которое свёртывается одной единицей фермента за 40 минут. На практике этот показатель обычно варьирует от 100 000 до 150 000 единиц. Концентрация ионов кальция тоже критична. Добавление хлорида кальция в количестве 10-30 граммов на 100 литров молока ускоряет образование сгустка и уплотняет его структуру. Это особенно важно для пастеризованного молока, где растворимого кальция меньше.

Состав молока вносит свои коррективы. Повышенное содержание жира механически мешает мицеллам сближаться, тогда как избыток белков, наоборот, ускоряет коагуляцию. Сезонные колебания состава, особенно соотношения казеина и сывороточных белков, заставляют сыроделов корректировать дозировку фермента и температуру свёртывания. Готовый сгусток должен быть достаточно упругим, чтобы выдержать резку и постановку зерна. Его плотность и способность к синерезису напрямую влияют на выход продукта и текстуру будущего сыра.

3. Протеазы в формировании вкуса

Созревание сыра, это, по сути, управляемый распад белкового каркаса, который был создан на предыдущем этапе. Химозин лишь намечает контуры будущего продукта, расщепляя казеин в момент коагуляции. Дальнейшая судьба вкуса решается армией протеолитических ферментов. Они работают в двух направлениях: остаточный химозин, застрявший в сгустке, продолжает атаковать крупные фрагменты, а протеазы, выделяемые заквасочными микроорганизмами, подхватывают эстафету и добираются до самых мелких пептидов.

Ключевой процесс здесь, гидролиз казеина до коротких пептидов и свободных аминокислот. Именно эти соединения служат тем строительным материалом, из которого впоследствии собираются ароматические молекулы. Глубина протеолиза напрямую коррелирует с интенсивностью вкуса. В молодых сырах типа моцареллы он минимален, поэтому продукт пресный и молочный. А вот в выдержанном пармезане, где протеолиз идёт месяцами, концентрация свободных аминокислот достигает значительных величин, что даёт тот самый насыщенный, пикантный профиль.

Однако этот процесс несёт в себе и риск. Накопление коротких гидрофобных пептидов, известная проблема, приводящая к появлению горечи. Эти фрагменты, образующиеся из бета-казеина, способны взаимодействовать с рецепторами горького вкуса на языке. Поэтому контроль специфичности протеаз, это не лабораторная тонкость, а практическая необходимость для каждого сыродела. Нейтральные протеазы бактериального происхождения, например из Lactococcus lactis, работают иначе, чем щелочные. Первые отщепляют короткие гидрофильные пептиды, которые дают сладковатые и умами-ноты, тогда как активность вторых часто коррелирует с накоплением горьких фрагментов.

Аминокислоты, высвобождаемые в ходе протеолиза, не остаются статичными. Они вступают в реакции дезаминирования и декарбоксилирования,

превращаясь в альдегиды, кетоны и амины. Эти соединения обладают низким порогом восприятия и формируют характерные ноты зрелого сыра: от ореховой до пряной и даже слегка фруктовой. Метионин, подвергаясь трансформации, даёт вклад в сернистые, чесночные оттенки, свойственные сырам с мытой коркой.

Управление этим сложным каскадом реакций возможно. Сыродел выбирает ферментный препарат, оценивая не только его молокосвёртывающую активность, но и общую протеолитическую способность (она может отличаться в разы у разных производителей). Помимо выбора закваски, регулировать глубину распада можно через температуру и влажность в камере созревания. Замедляя метаболизм бактерий, можно притормозить чрезмерное накопление горьких пептидов. В итоге баланс между желаемым вкусом и нежелательными дефектами достигается точной настройкой всех участников процесса.

4. Сравнение ферментных препаратов

Долгое время традиционное сыроделие опиралось исключительно на сычужные ферменты, которые извлекали из желудков телят. Сегодня производство всё чаще переходит на биотехнологические аналоги. Дело не только в экономии, но и в предсказуемости результата. Природный сычуг, как любой продукт животного происхождения, нестабилен по своей активности. Она зависит от возраста животного, его рациона и сезона забоя. Микробные и рекомбинантные препараты лишены такого недостатка, поскольку их производят в контролируемых условиях ферментёров. Это гарантирует воспроизводимость каждой партии.

Разница между препаратами определяется их происхождением и степенью очистки. Микробные протеазы, которые выделяют из грибов рода Rhizomucor или Cryphonectria, действительно дешевле в производстве, чем животный химозин. Однако их удешевление создаёт технологические сложности: у этих ферментов более широкая субстратная специфичность. Они гидролизуют не только κ-казеин (он отвечает за коагуляцию), но и другие белковые фракции. В процессе созревания это ведёт к накоплению горьких пептидов. В «Прикладной биохимии и микробиологии» за 2020 год вышли исследования, которые показывают: выход горьких олигопептидов при использовании грибных протеаз в 1,5-2 раза выше, чем у химозина. Поэтому дозировка таких ферментов требует ювелирной точности. Технологу приходится постоянно корректировать рецептуру, чтобы избежать дефекта вкуса.

С рекомбинантным химозином ситуация иная. Его получают путём встраивания гена бычьего профермента в геном дрожжей Kluyveromyces lactis или плесневого гриба Aspergillus niger. Молекула фермента, которую синтезирует микроорганизм, по аминокислотной последовательности и третичной структуре полностью совпадает с природным аналогом. Согласно данным портала Propionix, активность рекомбинантного препарата

составляет 1000-1500 единиц на грамм. Это соответствует показателям сычуга высшего сорта. При этом стоимость его производства ниже на 30-40%, потому что отпадает необходимость выращивать телят и закупать сырьё на скотобойнях. Есть и этический аспект: для вегетарианских сыров и продуктов халяль рекомбинантный химозин стал безальтернативным решением.

Сравнивать эффективность разных типов препаратов только по цене за литр молока нельзя. Микробные коагулянты выигрывают в стоимости, но проигрывают в селективности. Рекомбинантный химозин дороже на старте, однако даёт плотный, упругий сгусток с минимальными потерями белка в сыворотку. Потери при использовании грибных протеаз, по данным белорусских учёных в журнале «Микробные биотехнологии» (2018), достигают 12-14% от общего белка. Для рекомбинантного фермента этот показатель не превышает 6-7%. Для крупного производства такая разница оборачивается миллионами рублей годовой экономии на сырье.

Сегодня главный вектор развития отрасли, создание ферментных комплексов с программируемыми свойствами. Уже мало просто свернуть молоко, важно управлять вкусом и текстурой на всех этапах созревания. Учёные из ВНИИ маслоделия и сыроделия экспериментируют с мультиферментными композициями. В них рекомбинантный химозин сочетается с липазами и нейтральными протеазами в строго выверенных пропорциях. Это позволяет имитировать вкус зрелых сыров за 30-45 дней вместо 6-8 месяцев, при этом сохраняется стабильность органолептических характеристик. Такие комплексы подбираются под конкретный тип сыра: для гауды одна комбинация, для пармезана другая. Каждая из них задаёт определённый профиль протеолиза. Практическая перспектива биотехнологического сыроделия лежит именно в этом направлении, а не в поиске очередного удешевлённого заменителя сычуга.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Реннин (химозин) и другие коагулянты в сыроделии — https://propionix.ru/rennin-i-rekombinantnyj-himozin

2. Протеолитические ферменты, применяемые в производстве сыров — https://mbio.bas-net.by/cager/pub-pdfs/2018-109-InMi10.pdf

3. Прикладная биохимия и микробиология, 2020, T. 56, № 4 — https://sciencejournals.ru/view-article/?j=prikbio&y=2020&v=56&n=4&a=PrikBio2004003Belenkaya

4. Ферменты и ферментные препараты в сыроделии — https://cheeseinfo.ru/tehnologiya-proizvodstva-syra/fermentu-i-fermentnye-preparaty-v-syrodelii

5. Сычужный фермент (химозин жидкий) - Закваска «Пропионикс» — https://propionix.spb.ru/magazin/folder/syrnyj-ferment

6. Химозин, ренин (сычужный фермент, микробный ... - Здоровеево — https://www.zdoroveevo.ru/blog/khimozin-chto-eto-i-dlya-chego-nuzhen/

7. Молокосвёртывающие ферменты — https://syrodelie.com/molokosvyertyvayushchie-fermenty/

8. Критерии подбора молокосвёртывающих ферментов — https://www.uraling.ru/kriterii-podbora-moloko