Ферментативный протеолиз при преобразовании молока в сыр

Преобразование молока в сыр происходит под влиянием множества физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, среди которых протеолизу отводится очень важная роль. Протеолиз относится к наиболее сложному типу необратимой посттрансляционной модификации белков. Катализаторами ферментативного протеолиза на разных стадиях производства сыра являются нативные ферменты молока, экзо- и эндопептидазы заквасочных и незаквасочных микроорганизмов, молокосвертывающие ферменты. В статье представлен краткий обзор современных представлений о свойствах, механизме действия и специфичности основных представителей ферментов, гидролизующих молочные белки на стадиях подготовки молока к свертыванию, во время сычужного свертывания и последующего созревания сыров. К ним относятся плазминовая система молока, ферменты психротрофных бактерий и молочнокислых микроорганизмов, попадающих в молоко как случайно (незаквасочная микрофлора), так и планируемо в виде заквасок из специально подобранных штаммов. Молокосвертывающие ферменты, выполнив свою основную функцию — свертывание молока,— частично переходят в  сыр и  наряду с  ферментами заквасочных микроорганизмов и плазмином участвуют в протеолитических процессах при созревании сыра. Общепризнано, что протеолиз в созревающих сырах является наиболее значимым биохимическим процессом, влияющим на формирование вкуса, аромата и консистенции наряду с липолизом и гликолизом. Сочетание продуктов протеолиза (пептидов, аминокислот, аминов и др.) индивидуально для разных видов сыров и меняется в зависимости от технологических параметров изготовления, в том числе от продолжительности созревания. Протеолиз в сырах исследовался многими учеными в различных аспектах. Этот обзор дополняет известные сведения новой информацией, не претендуя на всеобъемлемость.

1. Thompson, А., Boland, M., Singh, Н. (2009). Milk proteins: from expression to food. Academic Press, 2009. https://doi.org/10.1016/B978–0–12–374039–7.X0001–3

2. D’Ambrosio, C., Arena, S., Salzano, A. M., Renzone, G., Ledda, L., Scaloni, A. (2008). A proteomic characterization of water buffalo milk fractions describing PTM of major species and the identification of minor components involved in nutrient delivery and defense against pathogens. Proteomics, 8(17), 3657–3666. https://doi.org/10.1002/pmic.200701148

3. Rout, Р.К., Verma, М. (2021). Post translational modifications of milk proteins in geographically diverse goat breeds. Scientific Reports, 11, Article 5619. https://doi.org/10.1038/s41598–021–85094–9

4. Baptista, D.P., Gigante, M.L. (2021). Bioactive peptides in ripened cheeses: release during technological processes and resistance to the gastrointestinal tract. Journal of the Science of Food and Agriculture, 101(10), 4010–4017. https://doi.org/10.1002/jsfa.11143

5. Goulding, D.A., Fox, P.F., O’Mahony, J.A. (2020). Milk proteins: An overview. Chapter in a book: Milk Proteins: From Expression to Food. Amsterdam: Elsevier, 2020. https://doi.org/10.1016/b978–0–12–815251–5.00002–5

6. Fox, P.F., Uniacke-Lowe, Т., McSweeney, P.L.H., O’Mahony, J.A. (2015). Milk proteins. Chapter in a book: Dairy Chemistry and Biochemistry. Springer International Publishing Switzerland, 2015. https://doi.org/10.1007/978–3–319–14892–2

7. Горбатова, К.К., Гунькова, П.И. (2010). Биохимия молока и молочных продуктов. СПб.: ГИОРД, 2010.

8. Holland, J.W. (2008). Post-translational modifications of caseins. Chapter in a book: Milk Proteins: From Expression to Food. Amsterdam: Elsevier, 2008. https://doi.org/10.1016/B978–0–12–374039–7.00004–0

9. O’Mahony, J. A., Fox, P. F. (2012). Milk Proteins: Introduction and Historical Aspects. Chapter in a book: Advanced Dairy Chemistry. Springer, Boston, 2012. https://doi.org/10.1007/978–1–4614–4714–6_2

10. Guerin, J., Burgain, J., Gomand, F., Scher, J., Gaiani, C. (2017). Milk fat globule membrane glycoproteins: Valuable ingredients for lactic acid bacteria encapsulation? Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 59(4), 639–651. https://doi.org/10.1080/10408398.2017.1386158

11. Lopez, C., Cauty, C., Guyomarc’h, F. (2018). Unravelling the complexity of milk fat globules to tailor bioinspired emulsions providing health benefits: the key role played by the biological membrane. European Journal of Lipid Science and Technology, 121(10), Article 1800201. https://doi.org/10.1002/ejlt.201800201

12. Ельчанинов, В.В. (2019). Белки мембраны молочной жировой глобулы. 1. Генез и структура жировой глобулы молока, номенклатура белков мембраны. Молочная промышленность, 7, 24–27.

13. Rogers, L.D., Overall, C.M. (2013). Proteolytic post-translational modification of Pproteins: Proteomic tools and methodology. Molecular and Cellular Proteomics, 12(12), 3532–3542. https://doi.org/10.1074/mcp.M113.031310

14. Sousa, M.J., Ardö, Y., McSweeney, P.L.H. (2001). Advances in the study of proteolysis during cheese ripening. International Dairy Journal, 11(4–7), 327–345. https://doi.org/10.1016/S0958–6946(01)00062–0

15. Ward, O.P. (2011). 3.49 — Proteases. Comprehensive Biotechnology, 571–582. PMCID: PMC7152071. https://doi:10.1016/b978–0–08–088504–9.00222–1

16. Ardö, Y. (2021). Enzymes in cheese ripening. Chapter in a book: Agents of Change. Enzymes in Milk and Dairy Products. Switzerland: Springer, Cham., 2021. https://doi.org/10.1007/978–3–030–55482–8_15

17. Webb, E.C. (1992). Enzyme nomenclature 1992. Recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology on the Nomenclature and Classification of Enzymes. San Diego: Academic Press, 1992.

18. France, T.C., O’Mahony, J.A., Kelly, A.L. (2021). The plasmin system in milk and dairy products. Chapter in a book: Agents of Change. Food Engineering Series. Springer, Cham., 2021. https://doi.org/10.1007/978–3–030–5548–8_2

19. Nielsen, S.S. (2002). Plasmin system and microbial proteases in milk: Characteristics, roles, and relationship. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 50(22), 6628–6634. https://doi.org/10.1021/jf0201881

20. Crudden, A., Kelly, A.L. (2003). Studies of plasmin activity in whey. International Dairy Journal, 13(12), 987–993. https://doi.org/10.1016/s0958–6946(03)00140–7

21. Srinivasan, M., Lucey, J.A. (2002). Effects of added plasmin on the formation and rheological properties of rennet-induced skim milk gels. Journal of Dairy Science, 85(5), 1070–1078. https://doi.org/10.3168/jds.s0022–0302(02)74167–2

22. Borda, D., Indrawati, Smout, C., Van Loey, A., Hendrickx, M. (2004). High pressure thermal inactivation kinetics of a plasmin system. Journal of Dairy Sciеnse, 87(8), 2351–2358. https://doi.org/10.3168/jds.s0022–0302(04)73357–3

23. Budkevich, R.O., Eremina, A.I., Evdokimov, I.A., Fedortsov, N.M., Martak, A.A., Budkevich, E.V. (2018). The physical properties of the casein in solution: effect of ultra-high pressure. Food Systems, 1(3), 4–12. https://doi.org/10.21323/2618–9771–2018–1–3–4–12

24. Villalobos, J.C., Sigler, A.I.G., Oliete, B., Sánchez, R.A., Jiménez, L., Sánchez, N.N. et al. (2015). Relationship of somatic cell count and composition and coagulation properties of ewe’s milk. Mljekarstvo, 65(2), 138–143. https://doi.org/10.15567/mljekarstvo.2015.0208

25. Villalobos, J.С., Garzón, A.I., Martínez Marín, A.L., Arias, R., Ciocia, F., McSweeney, P.L.H. (2018). Plasmin activity in Manchega ewe milk: The effect of lactation, parity and health of the udder, and its influence on milk composition and rennet coagulation. Small Ruminant Research, 158, 57–61. https://doi.org/10.1016/j.smallrumres.2017.10.005

26. Sánchez, A.F., Muñoz, J.P., Villalobos, J.C., Sánchez, R.A., Garzón, A., de Pedro, E.A.S. (2021). Coagulation process in Manchega sheep milk from Spain: A path analysis approach. Journal of Dairy Science, 104(7), 7544–7554. https://doi.org/10.3168/jds.2020–19187

27. Somers, J.M., Guinee, T. P., Kelly, A.L. (2002). The effect of plasmin activity and cold storage of cheese milk on the composition, ripening and functionality of mozzarella-type cheese. International Journal of Dairy Technology, 55(1), 5–11. https://doi.org/10.1046/j.1471–0307.2002.00030.x

28. Мироненко, И.М. (2021). Функции ионного кальция и нативных протеаз молока в процессе сычужного свертывания. Сыроделие и маслоделие, 1, 25–28. https://doi.org/10.31515/2073–4018–2021–25–28

29. Мироненко, И.М. (2019). Вероятные участники процесса сычужного свертывания молока. Сыроделие и маслоделие, 4, 20–23.

30. Ardö, Y., McSweeney, P.L.H, Magboul, A.A., Upadhyay, V.K., Fox, P.F. (2017). Biochemistry of cheese ripening: Proteolysis. Chapter in a book: Cheese. Chemistry, Physics and Microbiology. Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978–0–12–417012–4.00018_1

31. Ozer, В.В., Akdemir-Evrendilek, G. (2014). Microbiology of Raw Milk. Chapter in a book: Dairy Microbiology and Biochemistry. Boca-Raton: CRC Press, 2017.

32. Glück, С., Stressler, Т., Fischer, L. (2021). Heat-stable microbial peptidases associated with the microbiota of raw milk. Chapter in a book: Agents of Change. Enzymes in Milk and Dairy Products. Switzerland: Springer, Cham., 2021. https://doi.org/10.1007/978–3–030–55482–8_11

33. Pukančíková, L., Lipničanová, S., Kačániová, M., Chmelová, D., Ondrejovič, M. (2016). Natural microflora of raw cow milk and their enzymatic spoilage potential. Nova Biotechnologica et Chimica, 15(2), 142–155. https://doi.org/10.1515/nbec‑2016–0015

34. Baur, C., Krewinkel, M., Kranz, B., von Neubeck, M., Wenning, M., Scherer, S. et al. (2015). Quantification of the proteolytic and lipolytic activity of microorganisms isolated from raw milk. International Dairy Journal, 49, 23–29. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2015.04.005

35. Datta, N, Deeth, H.C. (2003). Diagnosing the cause of proteolysis in UHT milk. LWT — Food Science and Technology, 36(2), 173–182. https://doi.org/10.1016/S0023–6438(02)00214–1

36. Kelly, A.L., Larsen, L.B. (2021). Agents of change: Enzymes in milk and dairy products. Springer Cham, 2021. https://doi.org/10.1007/978–3–030–55482–8

37. Settanni, L., Moschetti, G. (2010). Non-starter lactic acid bacteria used to improve cheese quality and provide health benefits. Food Microbiology, 27(6), 691–697. https://doi.org/10.1016/j.fm.2010.05.023

38. Pogačić, T., Mancini, A., Santarelli, M., Bottari, B., Lazzi, C., Neviani, E. et al. (2013). Diversity and dynamic of lactic acid bacteria strains during aging of a long ripened hard cheese produced from raw milk and undefined natural starter. Food Microbiology, 36(2), 207–215. https://doi.org/10.1016/j.fm.2013.05.009

39. Wouters, J. T.M., Ayad, E.H.E., Hugenholtz, J., Smit, G. (2002) Microbes from raw milk for fermented dairy products. International Dairy Journal, 12(2–3), 91–109. https://doi.org/10.1016/s0958–6946(01)00151–0

40. Bluma, A., Ciprovica, I. (2015). Diversity of lactic acid bacteria in raw milk. Research for Rural Development, 1, 157–161.

41. Hernandez-Valdes, J.A.; van Gestel, J.; Kuipers, O.P. (2020). A riboswitch gives rise to multi-generational phenotypic heterogeneity in an auxotrophic bacterium. Nature Communications, 11(1), e00133. https://doi:10.1038/s41467–020–15017–1

42. Tagliazucchi, D., Martini, S., Solieri, L. (2019). Bioprospecting for bioactive peptide production by lactic acid bacteria isolated from fermented dairy food. Fermentation, 5(96), Article 96.. https://doi.org/10.3390/fermentation5040096

43. Parente, E., Cogan, T.M., Powell, I.B. (2017). Starter cultures: General aspects. Chapter in a book: Cheese. Chemistry, Physics and Microbiology. Academic Press, 2017. https://doi.org/10.1016/B978–0–12–417012–4.00008_1

44. Китаевская, С.В., Пономарев, В.Я., Решетник, О.А. (2022). Оценка протеолитической активности новых штаммов лактобацилл с криорезистентными свойствами. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 12(1), 76–86. https://doi.org/10.21285/2227–2925–2022–12–1–76–86

45. Kieliszek, M, Pobiega, K, Piwowarek, K, Kot, AM. (2021). Characteristics of the proteolytic enzymes produced by lactic acid bacteria. Molecules, 26(7), Article 1858. https://doi.org/10.3390/molecules26071858

46. Korhonen, H., Pihlanto, A. (2003). Food — derived bioactive peptidesopportunities for designing future foods. Current Pharmaceutical Design, 9(16), 1297–1308. https://doi.org/10.2174/1381612033454892

47. Головач, Т.Н., Жабанос, Н.К., Фурик, Н.Н., Курченко, В.П., Ризевский, С.В. (2013). Субстратная специфичность и уровень ферментной активности при расщеплении белковых фракций молока пробиотическими микроорганизмами. Актуальные вопросы переработки мясного и молочного сырья, 8, 130–142.

48. Одегов, Н. И. Гришкова, А.В., Белов, А.Н. (2019). К вопросу направленного регулирования протеолитических процессов в сырах. Сыроделие и маслоделие, 5, 24–26. https://doi.org/10.31515/2073–4018–2019–5–24–26

49. Мягконосов, Д.С., Мордвинова, В.А., Абрамов, Д.В., Делицкая, И.Н. (2014). Особенности протеолиза у сыров различных видовых групп. Сыроделие и маслоделие, 2, 24–27.

50. Franco, I., Prieto, B., Urdiales, R., Fresno, J.М., Carballo, J. (2001). Study of the biochemical changes during ripening of Ahumado de Áliva cheese: a Spanish traditional variety. Food Chemistry, 74(4), 463–469. https://doi:10.1016/s0308–8146(01)00164–9

51. Rampilli, M., Larsen, R., Harboe, M. (2005). Natural heterogeneity of chymosin and pepsin in extracts of bovine stomachs. International Dairy Journal, 15(11), 1130–1137. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2004.10.003

52. Horne, D.S., Lucey, J.A. (2017). Rennet-induced coagulation of milk. Chapter in a book: Cheese. Chemistry, Physics and Microbiology. Academic Press, 2017. https://doi.org/10.1016/b978–0–12–417012–4.00005–3

53. Britten, M., Giroux, H.J. (2021). Rennet coagulation of heated milk: A review. International Dairy Journal, 124, Article 105179. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2021.105179

54. Fox, P.F., Guinee, T.P., Cogan, T.M., McSweeney, P.L.H. (2016). Enzymatic coagulation of milk. Chapter in a book: Fundamentals of Cheese Science, New York: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978–1–4899–7681–9_7

55. Jaros, D., Rohm, H. (2017). Rennets: Applied aspects. Chapter in a book: Cheese. Chemistry, Physics and Microbiology. Academic Press, 2017. https://doi.org/10.1016/B978–0–12–417012–4.00003_1

56. Кригер, А.В., Белов, А.Н. (2010). Влияние ферментных композиций на протеолиз в сырах. Сыроделие и маслоделие, 3, 38–40.

57. Ye, А., Cui, J., Singh, H. (2011). Proteolysis of milk fat globule membrane proteins during in vitro gastric digestion of milk. Journal of Dairy Science, 94(6), 2762–2770. https://doi.org/10.3168/jds.2010–4099

58. Абрамов, Д.В., Мягконосов, Д.С., Делицкая, И.Н., Мордвинова, В.А., Муничева, Т.Э., Овчинникова, Е.Г. (2019). Перспективы применения комплексных МФП для производства созревающих сычужных сыров. Сыроделие и маслоделие, 1, 24–26. https://doi.org/10.31515/2073–4018–2019–1–24–26

59. Мягконосов, Д.С., Абрамов, Д.В., Овчинникова, Е.Г., Муничева, Т.Э. (2019). Перспективы использования микробных заменителей химозина в сыроделии. Сыроделие и маслоделие, 4, 14–17.

60. Amira, A. B., Besbes, S., Attia, H., Blecker, C. (2017). Milk-clotting properties of plant rennets and their enzymatic, rheological, and sensory role in cheese making: A review. International Journal of Food Properties, 20(sup1), S76–S93. https://doi.org/10.1080/10942912.2017.1289959

61. Мягконосов, Д.С., Абрамов, Д.В., Делицкая, И.Н., Овчинникова, Е.Г. (2022). Протеолитическая активность молокосвертывающих ферментов разного происхождения. Пищевые системы, 5(1), 47–54. https://doi.org/10.21323/2618–9771–2022–5–1–47–54

62. Khattab, A. R., Guirguis, H. A., Tawfik, S. M., Farag, M. A. (2019). Cheese ripening: A review on modern technologies towards flavor enhancement, process acceleration and improved quality assessment. Trends in Food Science and Technology, 88, 343–360. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.03.009

63. Fox, P.F. (1989). Proteolysis during cheese manufacture and ripening. Journal of Dairy Science, 72(6), 1379–1400. https://doi.org/10.3168/jds.S0022–0302(89)79246–8