Биотехнология в пищевой промышленности

В производстве спиртных напитков наиболее часто применяют  штаммы дрожжей Sacсharomyces сerevisiae или Sacсharomyces carlsbergensis. Главное различие между ними заключается в том, что S. carlsbergensis могут полностью сбраживать раффинозу, а S. сerevisiae к этому не способны.

Требования, предъявляемые к дрожжам при  производстве алкогольных напитков, следующие: дрожжи должны обеспечивать полноту сбраживания, высокую его  скорость и легко выпадать в осадок.[19]

3.1.1 Пивоварение

Для осуществления  спиртового брожения прежде всего необходимо, чтобы в пивоваренном сырье образовался сахар. Традиционным источником нужных для этого полисахаридов всегда был ячмень, но в качестве дополнительных используются и другие виды углеводосодержащего сырья. Ячменный солод и прочие компоненты измельчают и смешивают с водой при температуре до 67°С. В ходе перемешивания природные ферменты ячменного солода разрушают углеводы зерна. Пивное сусло после гидролиза крахмала содержит мальтозу, глюкозу, мальтотриозу, которые сбраживают сахаромицеты, а также декстрины и мальтотетраозу, которые не используются пивными дрожжами.

Полученное  сусло отделяют от нерастворимых  остатков. Добавив хмель, его кипятят  в медных котлах. В процессе кипячения  прекращается ферментативная активность, осаждаются  белки из сусла и  экстрагируются вкусовые компоненты хмеля. Для производства пива с определенным содержанием алкоголя сусло после  кипячения доводят до нужной плотности. Удельная плотность сусла определяется содержанием экстрагированных сахаров, подлежащих сбраживанию. Затем в  сусло засевают штамм пивных дрожжей, которые сбраживают сахара в спирт и углекислый газ (в процессе брожения дрожжевая биомасса увеличивается в пять раз). Ряд других соединений, придающих пиву его особенный вкус, образуются в незначительных количествах. Среди них амиловый, изоамиловый и фенилэтиловый спирты, концентрация которых составляет около нескольких миллиграммов на 1 л, уксусная и масляная кислоты, а также эфиры. По истечении определенного времени брожение заканчивается, дрожжи отделяют от пива и выдерживают его некоторое время для созревания. После фильтрации и других необходимых процедур (пастеризации) пиво готово.

3.1.2 Виноделие

Необходимое условие любого бродильного процесса – наличие сахара в сырье. Так, в производстве вина используется сахар  виноградного сока. Почти все вино в мире делают из винограда одного вида – Vitis vinifera. Сок этого винограда – прекрасное сырье для производства вина. Он богат питательными веществами, служит источником образования приятных аромата и вкуса, содержит много сахара; его природная кислотность подавляет рост нежелательных микроорганизмов.

Виноделие, в отличии от пивоварения, до самого последнего времени было основано на использовании местных дрожжей дикого типа. Единственная обработка, которой подвергали виноград до отжима, - окуривание сернистым газом, чтобы сок не темнел. Корме того, сернистый газ подавляет деятельность не винных дрожжей; это позволяет винным дрожжам, которые менее чувствительны к нему, осуществлять брожение без помех. В прошлом именно с помощью этих диких дрожжей и осуществляли спиртовое брожение. В тех районах, где виноделием начали заниматься недавно, широко применяются дрожжевые закваски. Связано это с тем, что желаемая микрофлора может и отсутствовать, а инокуляция стандартной культурой дрожжей позволяет получать вина с нужными свойствами. Кроме того, количество используемого сернистого газа ограничено законодательно, и это побуждает применять дрожжевые культуры-закваски. Используются дрожжи-сахаромицеты: Sacсharomyces сerevisiae, S. oviformis, S. ellipsoideus. Использование заквасок дает ряд преимуществ: сокращается лаг-период размножения дрожжей, образуется продукт с известными свойствами, уменьшается вероятность появления нежелательного вкуса, поскольку в брожении не участвуют дикие не-винные дрожжи. Хересные винные дрожжи (Sacсharomyces oviformis), способные переокислять спирт в продукты, придающие вину хересный букет, чувствительны к концентрациям спирта выше 15%. Культивируя исходный штамм дрожжей при постепенном повышении концентрации спирта до 18%, удалось выделить штамм, способный к образованию хереса в этих условиях.[15]

В будущем  использование специально созданных  штаммов будет все более расширяться: это гарантирует необходимые  вкусовые качества вин. Смешанные закваски позволяют получать продукцию с  полным букетом, что невозможно при  работе с индивидуальными штаммами.

В виноделии  также используются ферментные препараты, в частности пектолитического действия. Применение пектиназ увеличивает скорость фильтрации сусла, способствует его осветлению и стабилизации. При этом возрастает содержание экстрактивных веществ, витамина С, флавоноидов, обладающих Р-витаминной активностью.

С помощью  клеточной и генной инженерии  создаются высокопродуктивные штаммы винных дрожжей, разрабатываются непрерывные  процессы сбраживания сока с использованием иммобилизованных клеток.

Производство  этилового спирта при помощи дрожжей  основано на давно устоявшейся технологии. В спиртовом производстве используют пригодные для этих целей штаммы рода Saсcharomyces. Основную массу вырабатываемого в настоящее время спирта получают при помощи дрожжей рода S. сerevisiae, иногда S. uvarum (carlsbergensis), S. diastaticus.[19]

Одним из лимитирующих факторов в ферментационном  производстве этанола является неспособность  микроорганизмов переносить высокие  концентрации спирта и вызываемая этим остановка процесса брожения по достижении относительно высокой концентрации спирта. Штаммы дрожжей, используемые в спиртовой промышленности, должны сохранять жизнеспособность вплоть до концентрации этанола 12-15 % (по объему). Кроме того, если в качестве сырья  используется зерно, дрожжи должны обладать способностью гидролизовать полисахариды до глюкозы. Это необходимо для полного превращения крахмала в этиловый спирт и углекислый газ.

Ожидается, что работа по созданию новых штаммов  дрожжей, устойчивых к еще более  высоким концентрациям спирта, будет  успешной. Пока углеводы не переведены в форму, усваиваемую дрожжами, брожение не происходит. Добавление гидролизующих крахмал ферментов ускоряет этот процесс. Для этого обычно применяют амилазу из культуральной жидкости штаммов Bacillus subtilis и амилоглюкозидазу, выделяемую из культур грибов штаммов Aspergillus niger и близких форм. Ферменты используются и при подготовке сусла, и при спиртовом брожении.

Особенности производства различных видов спиртопродуктов.

При выработке  спиртопродуктов разных видов очень важно использовать соответствующий штамм дрожжей. При выработке рома для производства сортов с сильным запахом обычно применяют штаммы дрожжей Schizosaccharomyces, а с менее интенсивным – быстродействующие дрожжи Sacсharomyces. Отметим, что процесс образования спирта ускоряется бактериями Clostridium sacсharobutyricum. Самый лучший ром получают в том случае, когда соотношение бактерий к дрожжам составляет 1:5. Культуру бактерий вносят, когда концентрация спирта достигает 3,5-4,5 %, а сахара – 6 %.

Производство  сакэ, или рисовой водки (Япония), похоже скорее на пивоварение, чем на виноделие, поскольку сбраживаемым углеводом является крахмал. Последний превращается в сбраживаемые сахара под действием Aspergillus oryzae, споры которого смешивают с размолотым и сваренным на пару рисом и инкубируют пять-шесть дней при 35º С. Полученный продукт смешивают с распаренным рисом и засевают штаммом Sacсharomyces сerevisiae (мото). Брожение продолжается не менее трех недель. Приготовление сакэ – сложный и труднорегулируемый процесс, требующий освоения различных способов брожения (в полутвердом и затопленном состоянии) и последовательного регулирования микробных популяций: сначала плесневых грибов (Aspergillus oryzae), затем бактерий (Lactobacillus и Leuconostoc spp.) и наконец дрожжей (S. сerevisiae). К концу брожения сакэ содержит не менее 20 % спирта по объему. Концентрация спирта перед выходом в торговую сеть доводится обычно до 16 % по объему.[15]

3.2 Хлебопечение

Биотехнологические  процессы в хлебопечении связаны  с использованием хлебопекарных  дрожжей, других заквасок, вызывающих брожение, а также некоторых ферментных препаратов. Для производства хлеба  в основном применяют дрожжи Saсcharomyces сerevisiae. Обычно их выращивают в ферментерах периодического действия на мелассе – отходе сахарного производства. Реже используют дрожжи вида Candida milleri. Дозировка прессованных дрожжей при производстве хлебобулочных изделий обычно составляет 1,0-1,5 % к массе муки. При производстве хлеба ферментационный процесс осуществляется в пастообразной среде (опара, тесто).

В Германии и США из ржаной муки выпекают хлеб «с кислинкой». Ос-нова технологии здесь та же, что и при выпечке хлеба из пшеничной муки, но при замесе ржаной муки и воды добавляют опару, заквашенную смешанной культурой лактобацилл. Содержащаяся в этой закваске (опаре) кислота и придает хлебу особый вкус.

3.3 Выработка фруктовых соков и консервирование

Применение  ферментов, полученных из микроорганизмов  – один из главных путей, которые  биотехнологи используют и будут использовать для интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности. Наибольшие успехи были достигнуты при производстве фруктовых соков: здесь используют такие ферменты, как пектиназы, целлюлазы, гемицеллюлазы, амилазы и протеиназы. Эти ферменты применяются не только в давно освоенных производствах; с их помощью удалось расширить ассортимент и добиться бόльшего выхода продукции из сырья.

Ведущее место в производстве соков принадлежит  пектиназам. В 1 л виноградного сока содержится 0,2-0,4 г пектина, еще больше его в яблочном и виноградном соках. При хранении сока пектин оседает. Освобождение сока от пектина обязательно при изготовлении сиропов путем упаривания, так как присутствие пектина может вызвать желеобразование. Обработка соков пектолитическими ферментами снижает содержание пектина до 50 мг/л. Пектолитические ферментные препараты хорошо зарекомендовали себя при получении гомогенных пюре для детского и диетического питания.

Для консервирования  овощей их пропитывают рассолом, в  котором они подвергаются брожению. Первая стадия – рост в рассоле  аэробной микрофлоры на поверхности  овощей. Затем в процесс включаются молочнокислые бактерии рода Lactobacillus и дрожжи, относящиеся к родам Saccharomyces и Torulopsis.  В результате брожения образуются молочная и уксусная кислоты. В дальнейшем дрожжи вытесняют молочнокислые бактерии. Брожение завершается, когда использованы все сбраживаемые углеводы овощей. Однако некоторые виды дрожжей, относящиеся к родам Candida, Debaryomyces и Pichia, продолжают расти на поверхности рассола. Это может привести к чрезмерному образованию кислоты, приводящему к ухудшению вкуса продукта, и последующей порче.

В современной  технике консервирования овощей используют микробные штаммы, в частности, штаммы молочнокислых бактерий, подвергшиеся селекции. Пастеризация на последней  стадии консервирования уничтожает микроорганизмы и гарантирует качество продукта.

3.4 Продукты из сои

Соевый  соус готовят на основе кашицы из набухших и отваренных бобов сои. В нее  вносят закваску, содержащую различные  микроорганизмы, главным образом, Aspergillus orizae (оризе). В ходе выдержки в течение 3-5 сут при температуре 25-30°С гриб активно разрастается на поверхности. Затем в смесь добавляют соль (до 20%) и оставляют ее созревать на 0,5-2 года при низкой температуре. В настоящее время применяют чистые культуры Aspergillus orizae, поэтому срок выдержки сокращается до одного-трех месяцев. Кроме плесневого гриба для получения соевого соуса применяют бактерии Pediococcus soyae, дрожжи Saccharomyces rouxii и некоторых видов дрожжей рода Torulopsis. Их специально добавляют в соевую смесь в виде исходных чистых культур или они размножаются из уже имеющихся в смеси клеток. В результате брожения смесь насыщается молочной и другими кислотами и этанолом. По окончании процесса жидкость сливают с соевой массы или отделяют под прессом и получают соевый соус.[13]

3.5 Микромицеты в производстве продуктов растительного происхождения

В пище жителей  Юго-Восточной Азии, стран Востока  в рационе доминируют крахмал, другие углеводы и не хватает белка. Для  обогащения крахмалосодержащих продуктов  белками и придания им вкуса мяса в этих странах  на растительных продуктах выращивают специально подобранные  и естественным путем селекционированные виды плесневых грибов. На основе соевых бобов на Востоке вырабатывают множество традиционных пищевых продуктов, их особый вкус определяется деятельностью микроорганизмов. Это, главным образом, грибы, в частности представители рода Aspergillus.

Характерным элементом восточной кухни является продукт под  названием темпе. В Индонезии темпе представляет собой плотную лепешку, изготовленную из соевых бобов, арахиса или кокосовых орехов. Лепешки употребляют в пищу обросшими плесневыми грибами рода Rhizopus.  Арахисовое темпе содержит до 50 % белковых веществ и по вкусу напоминает мясные изделия.[11]

4. Источники пищевого белка

4.1 Грибы

Как известно, взрослому человеку при умеренной  физической нагрузке ежедневно необходимо с пищей получать около 12,5 кДж (3 тыс. кал). Эту потребность в энергии  могут покрыть 75 г сахара. Но пища обеспечивает нас не только калориями. Организму нужен материал для  роста и регенерации устаревших клеток и тканей, поэтому пища должна содержать белки, жиры, углеводы и  витамины. По самым скромным подсчетам  в масштабах планеты дефицит  пищевого белка оценивается в 15 млн т в год.[3]