Материал: Вопросы к Экзамену 305

- управляемое культивирование микроорганизмов в объеме биореактора;

- удаление культуральной жидкости (или ее части) и замена её свежей питательной средой. Благодаря этому становится возможным создание процесса культивирования микроорганизмов, непрерывного по жидкой фазе и периодического по условно твердой фазе - биомассе, что позволяет устранить ряд недостатков, присущих периодическим способам культивирования.

54. Кинетика и закономерности биокаталитических процессов при трансформации свойств водного сырья;

КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ — учение о закономерностях и скоростях протекания различных биологических процессов

Особенности протекания хим. реакций в биол, системах рассматривает кинетика биологических процессов. Биологические реакции представляют собой ферментативные процессы, протекающие в Сложно организованной системе. Такие системы обмениваются с окружающей средой энергией и веществом, вследствие чего их называют открытыми системами (см. Термодинамика). Открытые системы обладают рядом специфических кинетических свойств, из которых наиболее важным следует считать возможность установления в них динамического стационарного состояния, при к-ром значения многих внутренних параметров системы (напр., концентрации компонентов) в течение определенного периода сохраняются постоянными. Это происходит потому, что процессы притока и оттока вещества взаимно компенсируют друг друга, что является одним из условий поддержания гомеостаза (см.).

Другой особенностью биол, процессов является то, что в открытой системе сложные ферментативные реакции (полиферментативные процессы) обладают свойством осуществлять саморегуляцию, т. е. увеличивать или уменьшать скорость, вследствие активаций или ингибирования (торможения) процесса конечными продуктами или веществами, образующимися в ходе данной реакции (см. Биологическая система, ауторегуляция). Скорость и направление такого процесса часто регулируются относительно небольшим количеством таких стадий, которые в данном случае можно считать управляющими (или определяющими). В случае, напр., совокупности последовательных реакций ими могут быть стадии, протекающие с наименьшей скоростью. При этом изменение скорости той или иной стадии под влиянием ингибитора или активатора приводит к изменению скорости протекания всего биол, процесса.

Скорость протекания реакций в живом организме определяется прежде всего ферментами управляющих стадий (ключевыми ферментами), могущими влиять на свойства других ферментов и структурные условия развития реакции. Поэтому К. б. п. следует рассматривать как кинетику сложного процесса, представляющего собой совокупность сопряженных, последовательных, параллельных и других реакций.

Кинетику сложного процесса часто изучают, анализируя поведение одного определяющего звена (управляющей стадии), либо наиболее медленного, лимитирующего общую скорость всей реакции (при последовательном его включении в цепь), либо наиболее быстрого, служащего основным путем реакции (при параллельном включении его в цепь). Таким звеном часто оказывается элементарный процесс  , сочетающий обратимую и необратимую стадии.

Элементом С наряду с обычными промежуточными продуктами могут служить неустойчивые образования, относительные концентрации которых невелики, но тем не менее определяют течение всего процесса (напр., активированные комплексы, возбужденные светом молекулы, и т. п.). Скорость необратимой (или слабообратимой) стадии процесса в целом непосредственно зависит от концентрации таких переходных состояний. Стационарная концентрация промежуточного соединения (С) устанавливается и поддерживается благодаря существованию обратимой стадии процесса, что позволяет вычислить концентрацию активного промежуточного продукта через константу его диссоциации, равновесия с исходным субстратом и концентрацию этого субстрата.

Различные биол, процессы протекают при участии разнообразных ферментов, которые ускоряют реакции. Фермент (Е), связываясь с субстратом реакции (S), образует ферментсубстратный активированный комплекс (ES). Реакция при этом протекает по схеме:

где P — продукт реакции. Первая стадия является обратимой, а вторая — необратимой (или слабообратимой) .

Ферментативные реакции имеют характерную особенность насыщения субстратом. При небольших концентрациях субстрата скорость ферментативной реакции увеличивается пропорционально его концентрации (реакция первого порядка), а при больших концентрациях становится постоянной (т. е. переходит в реакцию нулевого порядка).

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса — Ментен:

v = (V*S)/(km + S),

где v — скорость реакции, V — максимальная скорость реакции, km — константа Михаэлиса, численно равная концентрации субстрата, при к-рой скорость реакции достигает значения 0,5 V (см. Ферменты).

Необходимо учесть, что кинетика многих ферментативных реакций оказывается более сложной, чем это следует из уравнения Михаэлиса, поскольку в ферментативной реакции могут участвовать несколько субстратов и образовываться несколько продуктов, а также принимать участие специфические обратимые или необратимые активаторы или ингибиторы (обратимые, образуя с ферментом диссоциирующие комплексы, и необратимые, образуя нед Ассоциирующие комплексы, вызывают изменения в функц, группах фермента). 

Биокатализ (то же, что ферментативный катализ) — ускорение химических реакций в живых клетках специальными белками — ферментами. В основе биокатализа лежат те же самые химические закономерности, что и в основе небиологического катализа, используемого в химическом производстве. Вместе с тем биокатализ на основе ферментов отличается ускорением реакций в десятки-сотни и даже тысячи миллиардов раз в сравнении с лабораторными и промышленными химическими реакциями, специфичностью и регулируемостью, т. е. изменением активности ферментов в зависимости от потребностей организма.

Ферменты представляют собой природные биокатализаторы. В настоящее время в биологических системах обнаружено несколько тысяч индивидуальных ферментов, 3709 из них – выделено, изучено и внесено в специальную базу данных. Подсчитано, что живая клетка может одновременно содержать до 1000 различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию. В химическом плане большинство ферментов имеют белковую природу, однако из этого правила есть исключение – рибозимы.

55. Качественная и количественная оценка степени деструкции белков;

Деструкция – дальнейшие постденатурационные изменения белков, протекающие при температуре 100ºС и выше. В этих условиях белки подвергаются дальнейшим изменениям, связанным с разрушением их макромолекул. На первом этапе изменений от белковых молекул могут отщепляться функциональные группы с образованием таких летучих продуктов, как аммиак, сероводород, фосфористый водород, углерода оксид. Накапливаясь в продукте и окружающей среде, эти вещества участвуют в образовании вкуса и аромата готовой пищи. При длительном гидротермическом воздействии часть белков может гидролизоваться с расщеплением пептидных связей. При этом происходит деполимеризация белковой молекулы с образованием водорастворимых азотистых веществ небелкового характера (свободных аминокислот, пептидов).

Деструкция белков происходит в производстве некоторых видов теста. В этом случае разрушение внутримолекулярных связей в белках происходит при участии протеолитических ферментов, содержащихся в муке и вырабатываемых дрожжевыми клетками.

Деструкция белков может быть целенаправленным приемом кулинарной обработки, способствующим интенсификации технологического процесса (использование ферментных препаратов для размягчения мяса, ослабления клейковины теста, получения белковых гидролизатов и др.)

Деструкция коллагена мяса и рыбы приводит к образованию глютина — белка, растворимого в горячей воде. Аминокислотный состав глютина аналогичен составу коллагена. Как уже указывалось, размягчение мясных продуктов, птицы, рыбы и нерыбных морепродуктов при тепловой кулинарной обработке связано с деструкцией коллагена соединительной ткани, переходом его в глютин.

На переход коллагена в глютин влияют следующие технологические факторы:

а) температура среды; при жарке мяса, птицы, рыбы, когда температура в толще продукта не превышает 80...85 °С, переход коллагена в глютин протекает медленно; в связи с этим кулинарная обработка методом жарки возможна только для таких частей туш, в которых коллагена содержится сравнительно мало и морфологическое строение соединительной ткани простое, коллагеновые волокна тонкие, располагаются параллельно направлению мышечных волокон; коллаген рыб подвергается деструкции значительно легче, чем мяса (говядины), поскольку соединительная ткань рыб имеет сравнительно простое морфологическое строение, в составе коллагена меньше оксипролина, он подвергается денатурации и деструкции при более низких температурах;

б) реакция среды; подкисление среды пищевыми кислотами или продуктами, добавками, содержащими эти кислоты, ускоряет переход коллагена в глютин;

в) измельчение мяса способствует снижению гидротермической устойчивости коллагена; это объясняется тем, что при измельчении мяса в мясорубке или рыхлении порционных кусков мяса волокна коллагена разрезаются на более мелкие фрагменты, поверхность контакта белка с окружающей средой многократно возрастает.

Наряду с перечисленными выше технологическими факторами на устойчивость коллагена к гидротермической дезагрегации влияют анатомо-морфологические признаки: в мясных тушах количество внутримышечной ткани и сложность ее строения возрастают по направлению от задней части к передней, а также сверху вниз; таким образом, более жесткое мясо имеет и более низкую пищевую ценность, так как белки соединительной ткани являются неполноценными по аминокислотному составу.

Деструкция коллагена до глютина ускоряется и в щелочной среде. Это используют в мясной промышленности для выработки желатина, который представляет собой высушенный глютин. Сырьем для получения желатина служат такие побочные продукты убоя мясного скота, как сухожилия, хвосты, уши, губы, свиная шкурка и пр.

Сухой желатин способен набухать в холодной воде, при этом за 1 ч масса его возрастает в 6...8 раз. Набухший желатин хорошо растворяется в горячей воде. Это его свойство используют для приготовления желированных блюд: заливных рыбы и мяса, студней, муссов и других сладких блюд.

В зависимости от глубины гидролиза коллагена и количества низкомолекулярных продуктов со сравнительно короткими полипептидными цепями желатин подразделяется на сорта высший, первый и второй. Желатин высшего сорта, обладающий наиболее высокой желирующей способностью, используют в основном в кино- и фотопромышленности для защиты светочувствительного слоя фото- и кинопленок и фотобумаги, а также в бумажной промышленности. Желатин более низких сортов применяют в кондитерской, медицинской промышленности, общественном питании и других отраслях.

В общественном питании используют 2...3%-ные растворы желатина. Для сохранения желирующей способности этого белка горячие растворы желатина рекомендуется охладить, не допускается их кипячение или хранение в горячем состоянии.

Поведение белка-глютина (желатина) в растворе зависит от температуры. При высокой температуре водные растворы глютина обладают свойствами нормальной (ньютоновской) жидкости, молекулы глютина независимо от их молекулярной массы находятся в изолированном друг от друга состоянии. По мере охлаждения раствора, при температуре ниже 40 °С, его молякулярно-дисперсное состояние нарушается, появляются свойства упруговязкой жидкости, свойственные псевдорастворам. Дальнейшее охлаждение водяного раствора глютина сопровождается постепенным появлением упругих свойств с образованием студня, характеризующегося определенной величиной предельного напряжения сдвига. В растворе идет процесс структурообразования, в ходе которого молекулы глютина образуют трехмерный каркас, соединяясь друг с другом и обеспечивая определенную прочность системы. Чем больше асимметрия молекул глютина, тем прочнее образующийся каркас, удерживающий в своих ячейках воду. При постоянной температуре окружающей среды (например, 5 °С) в течение 50...80 мин механическая прочность студня возрастает и стабилизируется. Студни с достаточно высокой механической прочностью можно получить и при комнатной температуре, увеличив концентрацию глютина до 3,5 %. Однако на практике стремятся снижать концентрацию глютина, одновременно понижая температуру процесса, и таким способом получают более пластичные и, следовательно, более нежные студни.

При варке мяса часть глютина переходит в бульон (0,5... 1 % массы мяса). При варке студней с использованием субпродуктов второй категории (ноги, головы, хвосты) состав мяса подбирают так, чтобы содержание глютина в бульоне к концу варки не превышало 3 %. При варке костных бульонов коллаген костей - оссеин - также денатурирует и переходит в глютин. Однако оссеин костей довольно устойчив к гидротермическому воздействию - для получения бульона с 3%-ной концентрацией глютина измельченные кости надо варить около 5 ч. Интенсифицировать этот процесс можно путем предварительной обжарки костей при 280 °С в течение 30 мин. Однако органолептические показатели качества таких бульонов низкие