Rola wybranych enzymów w przemyśle mleczarskim

Organizm ludzki nie mógłby funkcjonować bez enzymów, czyli związków odpowiedzialnych za przeprowadzanie w sposób ciągły przemian chemicznych oraz fizycznych zachodzących w każdej komórce organizmu. Efektem tych przemian, zwanych metabolizmem, jest m. in. przetwarzanie pokarmu w energię użyteczną dla procesów życiowych [1].

Enzymy chemicznie są białkami, a ich aktywność warunkują takie czynniki jak np. temperatura, pH, stężenie enzymu oraz substratu, czy obecność tzw. kofaktorów. Enzymy zatem umożliwiają zachodzenie reakcji (przyspieszając je) – bez nich przemiany chemiczne zachodziłyby zbyt wolno lub niezauważalnie, utrudniając metabolizm [1].

Dokonania biotechnologii w zakresie wykorzystania mikroorganizmów do wytwarzania enzymów charakteryzujących się identyczną jak enzymy rodzime specyficznością oraz właściwościami sprawiły, że znalazły one zastosowanie w przemyśle spożywczym. Dzięki enzymom możliwa stała się modyfikacja składników żywności, surowców, czy produktów, przyczyniając się do poprawy ich właściwości odżywczych, sensorycznych oraz funkcjonalnych, a także zagospodarowania produktów ubocznych. Ten ostatni aspekt odgrywa istotną rolę w zakresie ochrony środowiska [2].

 Enzymy są stosowane we wszystkich branżach przemysłu spożywczego, w tym w technologii mleczarskiej. Cytując  van Oorta „Przemysł spożywczy wykorzystuje ponad 55 różnych enzymów w przetwórstwie żywności. Ilość ta będzie w dalszym ciągu rosła, ponieważ z każdym dniem uczymy się wykorzystywać różnorodność świata mikrobiologicznego, by móc uzyskać enzymy przydatne w przetwórstwie żywności” [2]. Według Żelazowskiego [3], stosowanie enzymów  umożliwia zabezpieczenie produktów mlecznych przed szkodliwą mikroflorą, poprawę jakości oraz wytwarzanie szerokiego wachlarza asortymentu.

W przemyśle mleczarskim stosuje się enzymy koagulujące mleko do produkcji serów dojrzewających. Inne enzymy jak lipazy, laktaza (in. β-galaktozydazę), transglutaminaza, lizozym czy laktoperoksydaza [4] są stosowane w produkcji serowarskiej i/lub innych produktów mlecznych.

Do najbardziej znanych enzymów zaliczana jest podpuszczka. Prawdopodobnie był to pierwszy komercyjny enzym pozyskany z żołądków cieląt w roku 1874 przez Christian Chansen A/S. Pod nazwą „podpuszczka” kryje się  mieszanina enzymów, w skład których wchodzi chymozyna (EC 3.4.23.4; 80-90%), pepsyna (EC 3.4.23.1) oraz inne proteazy. Należy wspomnieć, że termin ‘podpuszczka” dotyczy preparatów otrzymanych z żołądka przeżuwaczy, zaś mieszaniny enzymów pochodzenia mikrobiologicznego czy roślinnego powinny być definiowane  jako „koagulanty” [3, 4].  Zadaniem podpuszczki/koagulantu jest hydroliza κ-kazeiny, czego efektem jest wytworzenie skrzepu.  Z kolei uznaje się, że pepsyna odpowiedzialna jest za przyspieszanie procesu tworzenia skrzepu (ścinania się mleka) oraz optymalizację procesu, a także  za nadawanie serom walorów „dojrzewających” typowych dla danego gatunku sera, np. tekstury czy aromatu [4, 5].

Lipaza (EC 3.1.1.3) to kolejny enzym wykorzystywany w produkcji serów dojrzewających. Jego rola polega na przyspieszeniu procesu ich dojrzewania poprzez rozkład (hydrolizę) tłuszczu mlekowego. W wyniku rozpadu tłuszczów powstają kwasy tłuszczowe, które w zależności od  długości łańcucha, nadają serom  charakterystyczny smak oraz aromat. I tak obecność kwasów krótkołańcuchowych nadaje serom ostry smak i zapach, zaś kwasów długołańcuchowych smak słodki oraz łagodny. Poza kreowaniem smaku oraz aromatu serów dojrzewającym lipazy wykorzystuje się do produkcji lipolizowanego tłuszczu mlecznego (LMF). Do produkcji LMF wykorzystuje się skondensowane mleko lub zemulgowane masło. Powstające w wyniku hydrolizy tłuszczu kwasy tłuszczowe oraz jego pochodne nadają LMF kremowy, serowy oraz maślany aromat. Wymienione właściwości LMF są wykorzystywane w produkcji polew czekoladowych, kremów, sosów, czy dodatków o zapachu serowym [4, 5].

 Laktoperoksydaza (EC 1.11.1.7) jest enzymem naturalnie występującym w mleku surowym oraz siarze, czy ślinie ssaków. Ma ona właściwości bakteriobójcze oraz bakteriostatyczne. Jest to enzym wykorzystywany do kontroli  procesu pasteryzacji mleka. Laktoperoksydaza traci swoją aktywność w temperaturze 80°C po 15 sekundach. Badanie obecności tego enzymu stosowane jest do rozróżnienia mleka pasteryzowanego metodą HTST (High Temperature Short Time) od mleka pasteryzowanego metodą VHT (Very High Temperature) [5].

Lizozym (EC 3.2.1.17) podobnie jak laktoperoksydaza wykazuje właściwości bakteriobójcze. W produkcji serów dojrzewających enzym ten zapobiega późnym wzdęciom serów, prowadzącym do ich  deformacji poprzez wytwarzanie pęcherzyków gazu w wyniku działania beztlenowych bakterii z rodzajów Clostridium. Lizozym hamuje rozwój Listeria monocytogenes w jogurtach i serach świeżych o dużej kwasowości, niemniej efekt ten nie jest trwały w przypadku fermentowanych produktów mlecznych produkowanych na skalę masową – duża kwasowość tych produktów determinuje hamowanie rozwoju wymienionych patogenów [4].

β-Galaktozydaza (EC 3.2.123), zwana powszechnie laktazą powoduje rozpad cukru mlecznego laktozy do glukozy i galaktozy. Aktualnie na rynku dostępne są preparaty laktazy otrzymywane ze źródeł mikrobiologicznych. Niedobór laktazy w przewodzie pokarmowym pacjentów manifestuje się dolegliwościami w postaci skurczów żołądka, wzdęć czy biegunek. Zatem preparaty laktazy mogą stanowić antidotum na nietolerancję laktozy. W USA preparat laktazy jest sprzedawany w formie tabletek wspomagając organizm przed niepożądanymi reakcjami. Laktoza znajduje się także w filtracie serwatki. Za pomocą reaktorów z immobilizowaną (unieruchomioną) laktazą można w 90 % zhydrolizować laktozę w filtracie serwatki. Uzyskany syrop zawierający glukozę oraz galaktozę stosowany jest jako zamiennik cukru w takich produktach jak  mleko skondensowane, lody, sosy czy desery mleczne [4].

Transglutaminaza (EC 2.3.212) jest enzymem szeroko rozpowszechnionym w przyrodzie a jej aplikacyjny charakter wynika ze zdolności sieciowania cząsteczek. Rozwój biotechnologii sprawił, że  enzym ten jest wytwarzany  z mikroorganizmów.  W mleczarstwie transglutaminaza poprawia zwięzłość skrzepu w jogurtach oraz kefirach, dzięki czemu konsystencja tych produktów staje bardziej kremowa i aksamitna. Zastosowanie transglutaminazy pozwala ograniczyć ilość stosowanych dodatków do produktów mlecznych w postaci np. żelatyny czy skrobi modyfikowanej lub ograniczyć wydzielanie się serwatki ze skrzepów jogurtu i kefiru [4].

W ostatnich latach wiele artykułów poświęconych jest hydrolizatom białek żywności, w tym białek mleka jako źródle biologicznie aktywnych peptydów. Peptydy takie regulują wiele funkcji fizjologicznych organizmu a powstają w wyniku hydrolizy białek mleka pod wpływem enzymów proteolitycznych lub podczas fermentacji produktów mleczarskich. Tematykę  powstawania peptydów, ich funkcji biologicznej oraz bioaktywny potencjał mlecznych produktów kilkukrotnie omawiano na łamach Mleczarskich Technologii.

W artykule zaprezentowano wybrane przykłady wykorzystania enzymów w mleczarstwie. Natura enzymów jest bardziej złożona. W przypadku produkcji serów dojrzewających pochodzenie  stosowanego preparatu (zwierzęce, roślinne, mikrobiologiczne) ma wpływ na wydajność produkcji sera, czas jego przechowywania i jakość produktu. Stale badana jest technologia dodawania enzymów do skrzepu serowego w kontekście opracowywania matryc i nośników, umożliwiających  tworzenie mikrocząstek kompleksów enzymatycznych, których zadaniem byłoby metabolizowanie związków jak aminokwasy, cukry, kwasy tłuszczowe do cząsteczek decydujących o smaku i zapachu serów. Innym aspektem jest produkcja enzymatycznych serów modyfikowanych (EMC) i dążenie do wytworzenia bardziej wytrzymałych enzymów znacznie szybciej niż obecnie generujących związki smakowo-zapachowe. Wprawdzie nie udowodniono występowania alergii na pozostałości enzymów w żywności, to firmy je produkujące starają się ograniczyć ich ekspozycję poprzez  wytwarzanie ich w formie kapsułek, tabletek czy granulek [2, 4]. Kolejnym czynnikiem związanym ze stosowaniem enzymów w mleczarstwie jest smak produktów. Mimo poprawy właściwości funkcjonalnych surowca czy produktu, dodatkowym efektem wynikającym z modyfikacji enzymatycznej białek mleka jest gorzki smak hydrolizatów, będący rezultatem obecności peptydów lub wolnych reszt aminokwasowych o gorzkim smaku. Nierzadko gorzkie peptydy charakteryzują się korzystnymi właściwościami biologicznymi, co stanowi konieczność poszukiwania rozwiązania pozwalającego na eliminację niepożądanej właściwości (gorzki smak), zachowując biologicznie korzystne cechy hydrolizatu. Wymienione aspekty wskazują, że problematyka związana z zastosowaniem enzymów w produkcji mleczarskiej jest zagadnieniem wieloaspektowym wciąż rozwojowym.

Anna Iwaniak

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauki o Żywności, Katedra Biochemii Żywności, P. Cieszyński 1, 10-179 Olsztyn, e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Podziękowania

Zadanie pod tytułem „Sieć badawcza uczelni przyrodniczych na rzecz rozwoju polskiego sektora mleczarskiego –projekt badawczy” finansowane jest w ramach dotacji celowej Ministra Nauki.

Literatura

1. Bańkowski E. (2004). Biochemia. Podręcznik dla studentów uczelni medycznych. Urban & Partner, Wrocław, s. 48-88.
2. van Oort M. Enzymy stosowane w produkcji żywności. W:  Whitehurst R. J., van Oort M. (red). Enzymy w technologii spożywczej. PWN Warszawa (2016), s. 35.
3. Żelazowski P. (2016). Enzymy w mleczarstwie. W: Przegląd wybranych prac z zakresu enzymologii. Zdunek R. Olszówka M. (red.), TYGIEL, Lublin, 125-135.
4. Law B. A. Zastosowanie enzymów w produkcji wyrobów mleczarskich. W:  Whitehurst R. J., van Oort M. (red). Enzymy w technologii spożywczej. PWN Warszawa (2016), s. 129 – 148.
5. Bancerz R. (2017). Przemysłowe zastosowania lipaz. Postępy Biochemii 63 (4), 335-341
6. Cichońska P. (2021). Pasteryzacja i sterylizacja w produkcji mleka i nabiału. Forum Mleczarskie Biznes 4/2021.