Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

121

ласти с помощью биотехнологии, но самые общие тенденции вырисо-

вываются довольно ясно.

Во-первых, на смену традиционным способам приготовления

пищи постепенно придут биореакторы, в которых будут расти клетки

животных или растений и микроорганизмов. Дело в том что, выход

продукции при использовании ферментеров или биореакторов может

быть существенно выше, чем в сельском

хозяйстве: идущие в них про-

цессы гораздо более интенсивны. Развитию этого направления способ-

ствуют и все возрастающая конкуренция за земельные ресурсы. Во-

вторых, эта альтернативная технология будет становиться все более

производительной благодаря использованию методов генной инжене-

рии, которые позволяют получать улучшенные линии клеток и штам-

мы микроорганизмов. В основе всех

этих производств лежат реакции

обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых

микроорганизмов.

Из пищевых продуктов большое значение приобретают получен-

ные биотехнологией заменители сахара - фруктоза и мультимер ас-

партама (слаще сахарозы в 10000 раз). Другие подсластители - саха-

рин, сорбит, ксилит, маннит, стевозид, тауматин и др. Биотехнологиче-

скими процессами получают ценные пищевые

добавки. Наиболее яр-

кий пример - производство лимонной кислоты. Сегодня ее получают

главным образом микробиологическим методом, а не из цитрусовых. В

результате земельные площади не приходится занимать посадками ли-

монных деревьев. Производство уксусной кислоты, являющейся пер-

вым продуктом, полученным с помощью иммобилизованных клеток. В

большом количестве вырабатывается глутамат натрия, который слу-

жит

усилителем вкусом, и лизин, который используют как пищевую

добавку.

Биотехнология активно внедряется в производство кормов необ-

ходимых в животноводстве. Микроорганизмы могут превращать

растительную биомассу с низким содержанием белка в пищевые про-

дукты с высоким его содержанием. У нас в стране первые исследова-

ния в этом направлении начались в 30-е годы.

Были построены первые

заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древеси-

ны, сельскохозяйственных отходах. В 1963 г. создан Всесоюзный НИИ

биосинтеза белковых веществ. Началось крупномасштабное производ-

ство белкововитаминного концентрата (БВК). В 60-х годах ряд неф-

тяных компаний начали исследования и разработки по созданию новых

процессов получения БВК, в зарубежной промышленности чаще упот

ребляют термин белок одноклеточных организмов (БОО), предназна-

122

ченного для употребления в пищу животных и людей. В качестве суб-

страта использовали нефть, метан, метанол, крахмал. Процессы на ос-

нове крахмала и метанола оказались наиболее конкурентоспособными.

В крупных промышленных масштабах этот процесс использовался в

Германии: там, в ходе первой мировой войны выращивали дрожжи

Sacchromyces cerevisiae, которые добавляли главным образом в колба-

су и супы. Таким путем удалось компенсировать около 60 % довоенно-

го импорта пищевых продуктов. Один из немногих высококачествен-

ных продуктов из БВК, пригодных для человека производится в Анг-

лии фирмой Rank Hovis McDougal. Его вырабатывают из гриба, выра-

щиваемого на содержащем углеводы сырье. Основные принципы по-

лучения белка в пищу людям те же, что и

для производства кормового

белка для животных, однако круг допустимых субстратов ограничен, а

требования к продукту более жесткие. Необходимы предварительные

медико-биологические исследования и клинические испытания пище-

вых препаратов биомассы. Психологический барьер производства мик-

робной пищи связан не только с риском интоксикации, но и с сомни-

тельными вкусовыми достоинствами этой пищи.

Эксперт по пробле-

мам питания заметил: "Пища имеет все те свойства, которыми должна

обладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни

структуры, ни вкуса". Поэтому в такую пищу необходимо вводить

вкусовые, ароматизирующие и структурирующие добавки. Перспек-

тивным является культивирование грибов Fusarium, цианобактерий

Spirulina, зеленых водорослей Chlorella имеющих консистенцию и дру-

гие органолептические свойства более привычные для человека.

В производстве важных продуктов современной пищевой про-

мышленности важное место занимают процессы брожения. Различают

следующие типы брожения: спиртовое, молочнокислое (гомо- и гете-

роферментативное), масляное, уксуснокислое, пропионовокислое,

бутиленгликолевое, ацетонобутиловое. Химизм процессов в началь-

ной стадии одинаков для всех типов брожения. Он начинается с разло-

жения моносахаридов, среди которых ведущее значение отводится

глюкозе. Процесс начального этапа брожения называется гликолиз

(греческое ”glicus“ – сладкий и латинское “lizis” – разложение, распад).

Это очень сложный, многостадийный процесс, протекающий в ана-

эробных условиях. Выделяют 10 стадий гликолиза, которые катализи-

руются различными ферментами. Продукт реакции каждого предыду-

щего фермента является субстратом для последующего. Конечным

продуктом

гликолиза служит пировиноградная кислота или пируват.

Реакции гликолиза сопровождаются высвобождением энергии, которая

123

аккумулируется в АТФ. Далее пути брожений расходятся, названия

различных типов брожений даны по конечным продуктам. Представим

химизм основных типов брожений, которые инициируются различны-

ми микроорганизмами.

Спиртовое брожение:

= 2С

ОН + 2СО

+ 94 кДж (28ккал).

Глюкоза Этанол

При доступе кислорода спиртовое брожение вытесняется пол-

ным окислением углеводов до диоксида углерода и воды с выделением

значительного количества энергии:

+ ЗО

= 6Н

О + 6СО

+ 2830,8 кДж.

Глюкоза

Гомоферментативное молочнокислое брожение:

= 2СН

СНСООН.

Глюкоза Молочная кислота

Гетероферментативное молочнокислое брожение:

= СН

СНСООН + СООНСН

СН

СООН +

Глюкоза Молочная Янтарная

кислота кислота

+ СН

СООН + СН

СН

ОН + СO

+ H

Уксусная Этиловый

кислота спирт

Маслянокислое брожение:

= СН

СН

СООН + 2СО

+ 2Н

+ Дж.

Глюкоза Масляная кислота

Пропионовое брожение:

= 4СН

СН

СООН+2СН

СООН+2СО

+2Н

О+Дж.

Глюкоза Пропионовая Уксусная

кислота кислота

124

Бутиленгликолевое брожение:

= CH

OHCH

+ HCOOH +

Глюкоза 2,3-бутиленгликоль Муравьиная

кислота

+ CH

COOH + C

OH + COOHCH

COOH + CH

CHCOOH.

Уксусная Этиловый Янтарная кислота Молочная

кислота спирт кислота

Ацетонобутиловое брожение:

3 С

= CH

COCH

+ CH

OH +

Глюкоза Ацетон Бутиловый спирт

+ CH

OH + CH

CHOHCH

+ H

+ 6CO

+ 2H

Этиловый Изопропиловый

спирт спирт

Наибольшую востребованность в пищевой промышленности на-

шли молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое и маслянокислое бро-

жение, эти процессы лежат в основе производства важнейших продук-

тов питания.

Традиционные пивоварение, виноделие, хлебопечение, получение

кисломолочных продуктов до сих пор остаются наиболее важными

производствами, приносящими отрасли хороший доход. Представим

некоторые

технологические аспекты указанных производств.

6.7.1 Биотехнологические процессы в хлебопекарном

производстве

Среди древнейших созданий человеческого разума и рук есть

творение, значимость которого с годами не уменьшается, а увеличива-

ется. Это – хлеб. И не только потому, что «без хлеба нет обеда». Хлеб

издавна символизировал народное благополучие.

Когда «родился» хлеб? Ученые утверждают,

что еще во времена

мезолита (10-15 тыс. лет назад) человек начал возделывать злаки, кото-

рые были прародителями ячменя, пшеницы, овса, ржи. На Ближнем

Востоке лепешки выпекали из крутого пресного теста на горячих кам-

нях, в золе или на раскаленных стенках печек, имевших форму пче-

линых улиев. Лепешки были жёсткими и сухими, но

зато долго сохра-

125

нялись. Подобные печки – тандыры сохранились и поныне в Средней

Азии и в Закавказье.

Прошло ещё много столетий, прежде чем в тесто начали добав-

лять дрожжи, превратившее жесткую лепешку в пышную и мягкую

булку. Историки считают, что кислое тесто впервые появилось у

египтян, которым был известен способ приготовления пива, а значит

процесс брожения, приблизительно в середине второго тысячелетия

до нашей эры.

Хлебопекарные дрожжи – это скопление клеток семейства

грибов-сахаромицетов. Они вызывают спиртовое брожение сахаров

теста, в результате чего образуется спирт и углекислый газ. Примене-

ние дрожжей в хлебопечении основано на том, что при брожении угле-

кислый газ разрыхляет тесто, придает ему

пористую структуру. Угле-

кислый газ как бы растягивает, расширяет тесто, делает его пышным. В

процессе брожения в тесте накапливаются сложнейшие органические

соединения, которые при выпечке под влиянием высоких температур

предают хлебу великолепный вкус и аромат.

Зерно имеет в своем составе разнообразный комплекс ферментов,

которые влияют на качество хлеба. Низшие сорта

муки отличаются

большим содержанием и активностью ферментов, чем высшие, так

как ферменты сосредоточены в зародыше и периферийных частях зер-

на. Ферментная активность отдельных партий муки одного и того же

сорта зависит от многих факторов: условий произрастания, хранения и

сушки, режима кондиционирования, продолжительности хранения

зерна или муки. Повышенная ферментная активность наблюдается

муки, полученной из зерна недозревшего, морозобойного, проросше-

го или пораженного клопом-черепашкой, а низкая - у муки, получен-

ной из зерна, чрезмерно перегретого при сушке. При хранении муки

(зерна) активность ферментов несколько снижается. Ферментативные

процессы в полуфабрикатах при их брожении или выпечке должны

протекать с определенной скоростью в зависимости от биологических

процессов, качества муки и режимов приготовления теста. При повы-

шенной или пониженной (по сравнению с обычным значением) фер-

ментной активности муки осложняется технологический процесс, воз-

никают дефекты хлеба. В технологическом процессе производства

хлеба наиболее важны ферменты, гидролизующие главные вещества

муки - белки и крахмал. Интенсивность, с которой сложные вещества

муки разлагаются

под действием ее собственных ферментов, характе-

ризует автолитическую активность муки (автолиз - саморазложение).

126

Роль дрожжей сахаромицетов в хлебопечении. Дрожжи саха-

ромицеты выполняют в основном роль разрыхлителей теста, оказывая

существенное влияние на объем готового хлеба и пористость мякиша.

Сбраживая сахара муки и мальтозу, образующуюся из крахмала муки

под действием амилаз, они образуют углекислый газ и спирт. Химизм

спиртового брожения в настоящее время изучен детально. Известно

что наряду с главными продуктами брожения получаются побочные,

например - уксусный альдегид, спирты (бутиловый, изобутиловый,

изоамиловый), органические кислоты (молочная, янтарная, винная,

щавелевая) и некоторые другие вещества, придающие хлебу специфи-

ческий вкус и аромат. Кроме того, небольшое количество спирта, кото-

рое остается после выпечки в готовом хлебе (до 0,5%), также значи-

тельно улучшает

вкус и аромат хлеба.

Для разрыхления пшеничного теста применяют дрожжи

Saccharomyces cerevisiae. Их вносят в виде прессованных дрожжей,

дрожжевого молока, сгущенных или жидких дрожжей. В брожении

ржаных заквасок участвуют два вида дрожжей сахаромицетов:

Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces minor.

Технология приготовления теста

Замес теста. Замес теста - важнейшая технологическая опера-

ция, от которой в значительной степени

зависит дальнейший ход тех-

нологического процесса и качество хлеба. При замесе из муки, воды,

дрожжей, соли и других составных частей получают однородную мас-

су с определенной структурой и физическими свойствами, чтобы в по-

следующем при брожении, разделке, расстойке, тесто хорошо перера-

батывалось. Количество воды на замес берут с учетом сорта

муки и её

влажности. При избытке воды тесто имеет слабую консистенцию и

расплывается. Если в тесте недостаточно воды, оно уплотняется, мед-

ленно созревает и не достигает нужного объема. Тесто при замесе

тщательно перемешивают. Это, во-первых, необходимо для того, что-

бы смешать основное и вспомогательное сырье и получить плотную

однородную массу

, а во-вторых, во время перемешивания тесто обога-

щается кислородом, который необходим для нормального брожения.

Плохо перемешанное тесто имеет неоднородную массу, неравномерно

бродит и созревает. Если тесто перемешивать слишком долго, из него

будет удален воздух, без которого нарушается нормальное брожение

теста, то есть тесто не будет иметь подъемной силы. В

результате изде-

лия получатся небольшими по объему, с плотным не разрыхленным

мякишем. Продолжительность замеса теста зависит от ряда условий, в

том числе от количества муки, ее влажности и других физических

127

свойств. С начала замеса в полуфабрикатах происходят различные

процессы - физические, биохимические и др. Существенная роль в об-

разовании пшеничного теста принадлежит белковым веществам. Не-

растворимые в воде белки муки, соединяясь с водой при замесе, набу-

хают и образуют клейковину. При этом белки связывают воду в коли-

честве, примерно в два раза

большем по сравнению со своей массой;

75% этой воды связывается осмотически. Набухшие белковые веще-

ства муки образуют "каркас теста" губчатой структуры - клейковину,

что и определяет растяжимость и эластичность теста. Основная часть

муки (зерна крахмала) адсорбционно связывает большое количество

воды. Значительная её часть поглощается пентозанами муки. Тесто

представляет собой полидисперсную систему, состоящую

из твер-

дой, жидкой и газообразной фаз. От соотношения фаз в этой поли-

дисперсной системе зависят физические свойства теста. Наряду с фи-

зическими и коллоидными процессами в тесте под действием фермен-

тов муки и дрожжей начинают проходить и биохимические процессы.

Наиболее значительное влияние оказывают ферменты муки, которые

дезагрегируют белок. Соприкосновение

теста во время замеса с кисло-

родом воздуха снижает дезагрегационное влияние ферментов. В мень-

шей мере действуют и ферменты, расщепляющие крахмал.

Разрыхление теста. Чтобы получить вкусный пористый, с хо-

рошим мякишем хлеб, следует предварительно разрыхлить тесто. В

основном используется биологический способ разрыхления. Он ос-

нован на спиртовом брожении сахара. Дрожжи

образуют в тесте угле-

кислый газ, который разрыхляет хлебные полуфабрикаты.

Брожение. Процессы брожения в тесте начинаются с момента

замеса и продолжаются до полного прогревания его в печи. Брожение

теста можно разделить на два этапа: от замеса до разделки и от начала

разделки до выпечки. На первом этапе происходит созревание его,

на-

копление вкусовых и ароматических веществ и оптимальное измене-

ние физических свойств. Разрыхление теста на этой стадии брожения

существенного значения не имеет, так как углекислый газ во время раз-

делки практически полностью удаляется из тестовых заготовок. Со-

зревшее тесто направляют на разделку. На втором этапе в тесте про-

должается брожение. При

разделке, расстойке и в начале выпечки те-

сто разрыхляется образующимся в нем углекислым газом, что необхо-

димо для получения хлеба с хорошо разрыхленным и пористым мяки-

шем. В пшеничном тесте преобладает спиртовое брожение, одна-

ко наряду с ним всегда протекает и молочнокислое брожение.

128

Спиртовое брожение вызывается дрожжами. При приготовле-

нии опары или теста дрожжи развиваются, питаются, размножаются,

сбраживают основные сахара. В течение первых 1,5-2 часов брожения

дрожжи разлагают сахара муки - глюкозу, фруктозу, сахарозу. Послед-

няя под действием ферментов, содержащихся в дрожжах (фермент са-

харозы), превращается во фруктозу и глюкозу, которые затем также

сбраживаются дрожжами.

Скорость превращения сахарозы муки в

глюкозу и фруктозу очень велика. Уже через несколько минут после

замеса теста собственные сахара муки сбраживаются и могут играть

существенную роль только в первый период брожения теста. В даль-

нейшем дрожжи сбраживают мальтозу. Прессованные дрожжи, как

правило, выращивают на средах, не содержащих мальтозы, поэтому

для сбраживания

ее ферментная система дрожжевой клетки должна

быть в течение определенного периода перестроена. Часть сахара, на-

ходящегося в тесте, затрачивается на увеличение дрожжевой массы

при размножении дрожжей в опаре или заквасках. На интенсивность

размножения дрожжей в полуфабрикатах влияют их исходные количе-

ства, консистенция полуфабриката, его температура, влажность и со-

держание питательных

веществ, необходимых клетке. В густых полу-

фабрикатах дрожжи размножаются медленнее, чем в жидких, так как

обмен веществ в густой среде затруднен. Решающее влияние на ход

спиртового брожения оказывает температура полуфабриката. Она ко-

леблется от 23

С до 35

С. Чем выше температура полуфабриката, тем

интенсивнее совершается спиртовое брожение. Так, при температуре

С интенсивность брожения в два раза выше, чем при температуре

С. Процесс брожения во многом зависит от содержания в полу-

фабрикатах растворимых азотистых веществ, минеральных соедине-

ний, сахара и витаминов, необходимых дрожжам, а также рН среды и

концентрации поваренной соли. В ряде стран набор минеральных, азо-

тистых и ростовых веществ является обязательным компонентом пше-

ничного теста. рН теста обычно совпадает с

оптимальным для спирто-

вого брожения значением (4-6). Весьма небольшие дозировки поварен-

ной соли (около 0,1% к массе муки) положительно влияют на жизне-

деятельность дрожжей.

Молочнокислое брожение. Значительную роль в созревании по-

луфабрикатов хлебопекарного производства играют молочнокислые

бактерии, представляющие обширную группу микроорганизмов, обра-

зующих в результате брожения молочную кислоту и другие вещества.

По

ферментативной деятельности молочнокислые бактерии разделяют

на гомоферментативные и гетероферментативные. При гомофермен-

129

тативном брожении образуется от 85% до 90% молочной кисло-

ты, при гетероферментативном образуется около 20% - 40%. При

молочнокислом брожении, помимо молочной кислоты, образуются ук-

сусная кислота, муравьиная кислота, этиловый спирт, диоксид углеро-

да и другие вещества. Важным является спиртоустойчивость молочно-

кислых бактерий при совместном использовании их с дрожжами. Гете-

роферментативные молочнокислые бактерии и некоторые

виды

Lactobacillus plantarum сбраживают пентозы. Дрожжи сбраживают

глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, простые декстрины, не сбра-

живают лактозу, крахмал, клетчатку. Они усваивают этиловый спирт,

молочную кислоту, уксусную кислоту. В пшеничное тесто молочно-

кислые бактерии попадают с мукой, другим сырьем (например, с

дрожжами) и из воздуха. В ржаное тесто они вносятся с заквасками.

Содержание

молочнокислых бактерий в заквасках весьма значитель-

ное, поэтому молочнокислое брожение в ржаных полуфабрикатах про-

текает очень интенсивно. В накоплении кислот в пшеничном и ржа-

ном тесте принимают участие молочнокислые бактерии, которые обра-

зуют кислоты: уксусную, щавелевую, винную, муравьиную и прочие.

В пшеничном тесте образуется в основном молочная кислота. Доля же

всех

остальных кислот сравнительно невелика от 25% до 30%. В ржа-

ном тесте, вследствие специфических особенностей микрофлоры ржа-

ных заквасок, доля молочной кислоты составляет около 30%, а в ос-

новном образуется уксусная кислота. На интенсивность кислотооб-

разования в бродящих полуфабрикатах и на состав кислот, прежде

всего, влияет температура, а также консистенция полуфабрика-

тов и

исходное количество кислотообразующих бактерий. Процесс

кислотонакопления в густых средах идет более интенсивно, чем в жид-

ких заквасках. Молочнокислые бактерии расщепляют собственные

сахара муки, вносимую по рецептуре сахарозу, а также мальтозу, обра-

зующуюся из крахмала. В молочнокислом брожении при обычной

температуре тестоведения от 28

С до З0

основное значение

имеют нетермофильные бактерии с оптимумом действия около 35

С.

Изменения в степени кислотности теста и состава кислот, образую-

щихся при брожении, влияют на ферментативные и коллоидные про-

цессы, жизнедеятельность микрофлоры теста и на образование аромата

и вкуса хлеба. При повышении кислотности теста ускоряются процес-

сы набухания и пептизации белков, молочная кислота препятствует

развитию вредной микрофлоры. На повышение кислотности теста

влияют прессованные дрожжи, в которых содержится некоторое коли-

чество кислотообразующих бактерий. Накопление кислот в определен-

130

ном количестве и соотношении их в совокупности со спиртами, обра-

зующимися при брожении, определяют вкус и аромат хлеба. Повыше-

ние кислотности теста снижает активность основных ферментов муки:

амилолитических и протеолитических. Конечная кислотность опары и

теста есть основной способ определения готовности теста.

При брожении теста наряду с вышеописанными продолжаются

коллоидные и

физические процессы: интенсивное набухание коллои-

дов, набухание и пептизация белковых веществ. В благоприятных ус-

ловиях при повышении кислотности теста и накоплении спирта уве-

личивается гидрофильность коллоидов теста. Набухание белков может

проходить с различной интенсивностью и скоростью. В тесте из силь-

ной муки набухание проходит медленно, ограниченно, заканчивается

только к концу брожения

. Это уменьшает количество жидкой фазы в

тесте и улучшает его физические свойства. Обминка теста из сильной

муки ускоряет процесс набухания белков и также улучшает физиче-

ские свойства теста. В тесте из слабой муки структура белков непроч-

ная, поэтому набухание происходит очень быстро, а белки частично

пептизируются. Это приводит к быстрому

увеличению количества

жидкой фазы в тесте и его разжижению, что ухудшает физические

свойства теста. Тесто из слабой муки не следует интенсивно обминать,

так как при механическом воздействии указанные выше процессы ус-

коряются и могут ухудшить физические свойства теста. При броже-

нии теста изменяется структура его клейковинного каркаса. В резуль-

тате разрыхления

теста углекислым газом, образующимся при спирто-

вом брожении, увеличивается его объем и клейковинные пленки из на-

бухших белков муки растягиваются. При дальнейшем механическом

воздействии в технологическом процессе (обминка и разделка теста)

клейковинные пленки вновь слипаются, образуя в тесте новую струк-

туру клейковинного губчатого каркаса. Новая структура способствует

газоудержанию и сохранению

формы изделий при окончательной рас-

стойке и выпечке хлеба. Мякиш выпеченного хлеба приобретает рав-

номерную, тонкостенную и мелкую пористость. Таким образом, в про-

цессе брожения теста основные составные части его (крахмал, белки)

претерпевают значительные изменения. В процессе брожения темпе-

ратура теста повышается на 1 - 2

С. Это обусловлено тем, что разложе-

ние сахара сопровождается положительным тепловым эффектом. Кро-

ме того, адсорбционное связывание влаги крахмалом и другими веще-

ствами муки также сопровождается выделением тепла. Масса теста из-

меняется и к концу брожения уменьшается на 2-3%, поскольку в окру-

жающую среду улетучивается часть углекислого газа, спирта, летучих