В производстве каких пищевых продуктов участвуют микробы
Благодаря большому разнообразию синтезируемых ферментов микроорганизмы могут выполнять многие химические процессы более эффективно и экономично, чем если бы эти процессы проводились химическими методами. Изучение биохимической деятельности микроорганизмов позволило подобрать условия для максимальной активности их как продуцентов различных полезных ферментов — возбудителей нужных химических реакций и процессов. Микроорганизмы все шире применяются в различных отраслях химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине.
В нашей стране создана и успешно развивается новая отрасль промышленности — микробиологическая, все производства которой базируются на деятельности микроорганизмов.
Микроорганизмы, с помощью которых производят пищевые продукты, называют культурными. Их получают из чистых культур, которые выделяют из отдельных клеток. Последние хранят в музейных коллекциях и снабжают ими различные производства.
В результате осуществляемых культурными микроорганизмами химических реакций растительное или животное сырье превращается в пищевые продукты. С помощью микроорганизмов получают многие жизненно важные продукты питания, и хотя изготовление их знакомо человеку с древних времен, роль в нем микроорганизмов открыта сравнительно недавно.
Хлебопекарное производство.
Хлебопечение основано на деятельности дрожжей и молочнокислых бактерий, развивающихся в тесте. Совместное действие этих микроорганизмов приводит к сбраживанию сахаров муки. Дрожжи вызывают спиртовое брожение, молочнокислые бактерии — молочнокислое. Образующиеся при этом молочная и другие кислоты подкисляют тесто, поддерживая оптимальный для жизнедеятельности дрожжей уровень рН. Углекислый газ разрыхляет тесто и ускоряет его созревание.
Применение культурных микроорганизмов в виде прессованных хлебопекарных дрожжей, сушеных или жидких заквасок улучшает вкус и аромат хлеба.
Производство сыра.
Сыроделие основано на деятельности многих видов микроорганизмов: молочнокислые (термофильный стрептококк), пропионовокислые бактерии и др. Под действием молочнокислых бактерий происходит накопление молочной кислоты и сквашивание молока, под действием других полезных микроорганизмов созревает сыр. Участвуют в этом процессе также некоторые плесневые грибы. Сычужный фермент и молочнокислые бактерии производят глубокое расщепление белков, сахара и жира. Различные бактерии вызывают накопление в острых сырах летучих кислот, придающих им специфический аромат.
Получение кисломолочных продуктов.
Творог, сметану, масло, ацидофилин, простоквашу приготовляют на чистых Культурах с применением различных заквасок. Молоко предварительно пастеризуют. Для производства творога и сметаны применяют мезофильные молочнокислые бактерии; ряженки, варенца и подобных продуктов — термофильные стрептококки и болгарскую палочку; ацидофилина — кислотовыносливые молочнокислые бактерии; кефира — многокомпонентные закваски, состоящие из дрожжей, молочнокислых и часто уксуснокислых бактерий. Для изготовления кислосливочного масла в пастеризованные сливки вносят закваску молочнокислых бактерий и выдерживают до требуемой кислотности.
Пивоваренное, спиртовое, ликеро-водочное и винодельческое производства.
Вино, пиво, квас, водку и другие напитки приготовляют с применением дрожжей, вызывающих спиртовое брожение сахарсодержащих жидкостей. В результате брожения жидкости (сусла, бражки, сока и т. п.) образуется алкоголь, СО2 и незначительные количества побочных продуктов. Подсобную роль выполняют молочнокислые бактерии: они подкисляют среду и облегчают деятельность дрожжей (например, при производстве кваса). В производстве спирта и пива для осахаривания заторов применяют также ферментные препараты грибного и бактериального происхождения.
Квашение и соление.
Сущность этого способа консервирования состоит в создании условий для преимущественного развития одних микроорганизмов — молочнокислых бактерий и подавления развития других — гнилостных бактерий. Заквашивают капусту, огурцы, помидоры, яблоки, арбузы. Применяют этот способ также при закладывании на длительное хранение корма для скота — заквашивается зеленая масса из трав, растительных остатков и др. Этот процесс носит название силосования кормов.
Получение органических кислот.
Уксусную, молочную и лимонную кислоты производят также с помощью микроорганизмов. Молочную кислоту получают способом брожения из сахарсодержащего сырья — патоки, крахмала, молочной сыворотки и др.
Молочнокислые бактерии выращивают на средах, содержащих до 15 % сахара. Выход молочной кислоты достигает 60-70 % массы содержащегося в заторе сахара.
Промышленное получение уксуса для пищевых целей основано на уксуснокислом брожении. Уксуснокислые бактерии в специальных чанах на буковых стружках окисляют поступающую питательную среду — уксусно-спиртовой раствор — до уксусной кислоты.
Лимонную кислоту раньше получали из плодов цитрусовых. В настоящее время ее также получают путем брожения. Возбудителем брожения является гриб Аспергиллус нигер, основное сырье — черная патока. Брожение происходит в растворе с содержанием 15 % сахара в аэробных условиях при температуре около 30 °С. Лимонная кислота используется в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков, сиропов, кулинарии и медицине.
Микроорганизмы широко используются в пищевой промышленности, микробиологической промышленности для получения аминокислот, ферментов, органических кислот, витаминов.
К классическим микробиологическим производствам относится виноделие, пивоварение, приготовление хлеба, молочнокислых продуктов и пищевого уксуса.
Например, виноделие, пивоварение и производство дрожжевого теста невозможны без использования дрожжей – сумчатых грибов, широко распространенных в природе.
История индустриального производства дрожжей началась в Голландии, где в 1870 г. была создана первая фабрика, выпускавшая дрожжи. Основным видом продукции стали прессованные дрожжи влажностью 70 %, которые могли храниться всего несколько недель. Длительное хранение было невозможно, так как клетки прессованных дрожжей оставались живыми, сохраняли свою активность, что приводило к их автолизу и гибели. Один из способов промышленного консервирования дрожжей стало высушивание. В сухих дрожжах при низкой влажности дрожжевая клетка находиться в анабиотическом состоянии и может сохраняться длительное время. Первые сухие дрожжи появились в 1945 г. В 1972 г. появилось второе поколение сухих дрожжей, так называемые инстантные дрожжи. С середины 1990-х годов появилось третье поколение сухих дрожжей – пекарские дрожжи, которые объединили достоинства инстантных дрожжей с высококонцентрированным комплексом специализированных хлебопекарных ферментов в одном продукте. Эти дрожжи позволяют не только улучшить качество хлеба, но и активно противостоять черствению.
Пекарские дрожжи используются и в производстве этилового спирта. Виноделие использует множество разных рас дрожжей, чтобы получить уникальную марку вина с только ему присущими качествами.
Молочнокислые бактерии принимают участие в приготовлении квашенной капусты, соленых огурцов, маринованных маслин и множестве маринованных продуктов. Они преобразуют сахар в молочную кислоту, которая предохраняет пищевые продукты от гнилостных бактерий. С помощью молочнокислых бактерий готовят большой ассортимент молочнокислых продуктов (кефир, снежок, йогурт, ряженку), творог, сыр.
ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Контрольная работа выполняется по общепринятой методике. Письменные ответы сопровождаются соответствующими рисунками и схемами. В конце работы приводится список использованной литературы.
При выполнении контрольных заданий студент может пользоваться основными учебниками, а также рекомендованными дополнительными учебными пособиями и другими литературными пособиями. Содержание работ должно быть кратким, конкретным и предельно четким.
Работа сдается для проверки преподавателю не позднее двух недель до экзамена по дисциплине.
Каждый студент выполняет свой вариант работы. Номер контрольной работы определяется при помощи таблицы 2 «Номер контрольной работы» согласно последним двум цифрам номера студенческого билета, по горизонтали берется последняя цифра, а по вертикали – предпоследняя.
Работа засчитывается после устного собеседования (защиты).
К экзамену студенты допускаются при наличии зачтенной контрольной работы.
Таблица 2 – Задание для контрольной работы
| Предпоследняя цифра шифра | Последняя цифра шифра | ||||||||
| 1,24,88, 99,100 | 4,23,87, 99,100 | 2,28,86, 99,100 | 3,29,85, 99,100 | 5,25,84, 99,100 | 6,27,92, 99,100 | 7,26,93, 99,100 | 10,21,94 99,100 | 9,25,95, 99,100 | 8,22,96 99,100 |
| 11,30,57, 99,100 | 12,31,58, 99,100 | 13,32,59, 99,100 | 14,33,63, 99,100 | 15,34,60, 99,100 | 16,35,61, 99,100 | 17,36,62, 99,100 | 18,37,63, 99,100 | 19,38,64, 99,100 | 11,39,6599,100 |
| 2,20,66, 99,100 | 3,21,67, 99,100 | 4,22,68, 99,100 | 9,23,69, 99,100 | 1,21,70, 99,100 | 1,36,70, 99,100 | 6,27,72, 99,100 | 7,26,73, 99,100 | 5,28,75, 99,100 | 10,29,7499,100 |
| 15,40,76, 99,100 | 16,41,77, 99,100 | 17,42,78, 99,100 | 18,43,79, 99,100 | 19,44,80, 99,100 | 11,25,81, 99,100 | 12,46,82, 99,100 | 13,47,63, 99,100 | 14,48,84, 99,100 | 15,49,8599,100 |
| 3,28,86, 99,100 | 2,29,87, 99,100 | 10,27,88, 99,100 | 4,26,89, 99,100 | 6,20,90, 99,100 | 5,21,91, 99,100 | 8,22,92, 99,100 | 9,23,93, 99,100 | 7,24,94, 99,100 | 1,25,95,99,100 |
| 12,50,60, 99,100 | 13,51,61, 99,100 | 14,52,62, 99,100 | 15,53,63, 99,100 | 16,54,64, 99,100 | 17,55,65, 99,100 | 18,56,66, 99,100 | 19,49,67, 99,100 | 11,47,68, 99,100 | 17,44,6999,100 |
| 10,56,70, 99,100 | 9,55,71, 99,100 | 8,53,72, 99,100 | 7,52,73, 99,100 | 1,53,74, 99,100 | 2,51,75, 99,100 | 3,50,76, 99,100 | 5,49,77, 99,100 | 4,48,78, 99,100 | 6,47,79,99,100 |
| 13,46,80, 99,100 | 14,45,81, 99,100 | 15,44,82, 99,100 | 7,42,83, 99,100 | 11,43,84, 99,100 | 18,41,85, 99,100 | 19,46,86, 99,100 | 12,39,87, 99,100 | 13,37,88, 99,100 | 16,38,8999,100 |
| 6,36,90, 99,100 | 7,35,91, 99,100 | 9,34,92, 99,100 | 8,31,93, 99,100 | 10,33,94, 99,100 | 1,32,95, 99,100 | 2,30,96, 99,100 | 4,38,57, 99,100 | 3,39,58, 99,100 | 5,40,59,99,100 |
| 19,41,63, 99,100 | 18,42,64, 99,100 | 16,43,65, 99,100 | 11,44,66, 99,100 | 12,45,67, 99,100 | 13,46,68, 99,100 | 13,47,69, 99,100 | 14,48,70, 99,100 | 15,49,71, 99,100 | 19,50,72,99,100 |
В пищевой промышленности микроорганизмы используются для получения ряда продуктов. Так, алкогольные напитки – вино, пиво, коньяк, спирт – получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности – молочнокислые бактерии и т.д. Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение (превращение углеводов и др. органических соединений в новые вещества под действием ферментов, продуцируемых микроорганизмами).
Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности – бактерии, дрожжи и плесени.
Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.
Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту.
В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям. В процессе получения ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гете-роферментативные) молочнокислые бактерии. Истинные бактерии участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями.
Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода. Молочнокислые бактерии ржаного теста существенное влияние оказывают также на вкус хлеба, так как он зависит от общего количества кислот, содержащихся в хлебе, и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного теста.
В спиртовой промышленности молочнокислое брожение применяют для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на ход технологических процессов в бродильном производстве, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся при молочнокислом брожении молочная кислота стимулирует развитие дрожжей и подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.
Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, но для спиртового производства эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие дрожжей и инактивирует α-амилазу.
К особым видам маслянокислых бактерий относятся ацетоно-бутиловые бактерии, которые используют в качестве возбудителей брожения в ацетонобутиловом производстве.
Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этанол в уксусную кислоту по уравнению
СН3СН2ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + 487 кДж.
Следует отметить, что уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывая его порчу.
· Молочнокислые кокки относятся к семейству Strерtососсасеае и представлены 3 родами: — лактококки (Lасtососсus), стрептококки (Streptococcus), лейконостоки (Leuconostос).
· Молочнокислые палочки. Широко распространены в окружающей среде (обнаружены в молочных, хлебных, мясных, рыбных продуктах, в воде, сточных водах, пиве, вине, фруктах, соленых овощах, силосе, кислом тесте, на слизистых человека и животных).
В настоящее время известно 67 видов молочнокислых палочек, при идентификации кроме морфологических, культуральных и биохимических свойств учитывают генотипические особенности (содержание гуанина с цитозином в ДНК). Относят к семейству Lactobacteriaceae (по некоторым классификаторам Lactobacillасеае, но спор не образуют), роду Lactobacterium (используется также название Lactobacillus), который делится на три группы: термобактерии, стрептобактерии, бетабактерии.
· Термобактерии (болгарская и ацидофильная палочка) — облигатные гомоферментативные лактобактерии, оптимальная температура 40-500С, очень активные кислотообразователи.
В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям (гомо- и гетероферментативным). Гомоферментативные молочнокислые микроорганизмы участвуют только в кислотообразовании, а гетероферментативные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь газоообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного хлеба существенное влияние оказывают также на вкус хлеба, т.к. он зависит от общего количества кислот, содержащихся в хлебе, и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного теста.
В молочной промышленности используют следующие виды микроорганизмов, непосредственно участвующих в формировании состава и свойств (качества) молочной продукции: молочнокислые кокки и палочки, а также специфическую микрофлору отдельных видов молочных продуктов — бифидобактерии, уксуснокислые бактерии кефирного грибка, пропионовокислые бактерии.
Лактококки входят в состав заквасок для кисломолочных напитков, сметаны, творога, кислосливочного масла, сыров).
Термофильный стрептококк — входит в состав заквасок для ряженки, варенца, йогурта, мечниковской простокваши, а также используется при производстве кисломолочных напитков низкой жирности (консистенция) и творога ускоренной выработки, сыров с высокой температурой второго нагревания).
Лейконостоки используются для ароматообразования в производстве кислосливочного масла, сыров, реже кисломолочных напитков, сметаны, творога.
Термобактерии используются при производстве йогурта, простокваши Мечниковской (болгарская палочка); т.к. ацидофильная палочка способна приживаться в кишечнике и подавлять развитие гнилостных микроорганизмов, то ее используют для производства ацидофильных напитков с лечебно-профилактическим действием и др.
· Бифидобактерии — по современной номенклатуре относятся к семейству Actinomycetaceae (лучистые грибки, сочетают свойства бактерий и грибов), роду Bifidobacterium (от лат bifidus — раздвоенный). В настоящее время идентифицировано 24 вида бифидобактерий. Наиболее изученные: B.bifidum (типовой), В.adolescentis, B.longum, B.breve, B.infantis. Оптимальная температура — 36-38°С (мin 20, мах 50), оптимальный уровень рН = 6-7 (при рН < 5,5 рост прекращается). Сбраживают углеводы с образованием уксусной и молочной кислоты (3:2), молоко сквашивают при внесении ростовых веществ.
Бифидобактерии используются при производстве продуктов функционального назначения.
Значение бифидобактерий:
· являются представителями нормальной (эубиотической) микрофлоры человека и многих животных (разные виды), у грудных детей содержится свыше 90%;
· защищают от гнилостной и патогенной микрофлоры;
· участвуют в синтезе витаминов, аминокислот, бактерицидных веществ.
Бифидобактерии выпускают в виде бакконцентратов (например, бифидумбактерин) и включают в кисломолочные продукты. Проблема заключается в том, что бифидобактерии плохо развиваются в молоке (эволюционно не приспособлены к этой среде). Для стимулирования роста их вносят вместе с другими молочнокислыми микроорганизмами (бифидок, ацидобифидин), используют специальные штаммы, приспособленные к росту в молоке или добавляют бифидогенные факторы роста (экстракты дрожжей, картофеля, сои, гидролизаты казеина, некоторые минеральные соли).
Кефирный грибок — симбиотическое образование, в которое входят: мезофильные молочнокислые лактококки, ароматообразующие стрептококки, мезофильные и термофильные молочнокислые палочки, дрожжи, уксуснокислые бактерии.
Пропионовокислые бактерии – используются в сыроделии.
Дрожжи. Широко применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста.
Для пищевых производств имеют значение совершенные дрожжи — сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи — несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение из этого семейства имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, отдельные разновидности вида, отличающиеся по некоторым признакам, называют расами. В каждой отрасли применяются определенные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У первых на протяжении всего периода жизнедеятельности клетки изолированы друг от друга, а у вторых клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.
Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. cerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей находится в пределах 25-300С, а минимальная температура около 2-30С. При 400С рост прекращается и дрожжи отмирают, но низкие температуры дрожжи переносят хорошо, хотя размножение их приостанавливается.
Различают дрожжи верхового и низового брожения. В каждой из этих групп имеется несколько отдельных рас.
Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем они оседают, но не дают плотного осадка. Эти дрожжи относятся к пылевидным дрожжам и не склеиваются друг с другом в отличие от хлопьевидных дрожжей низового брожения, оболочки которых являются клейкими, что приводит к слипанию и быстрому осаждению клеток.
Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относится большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения — спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Первоначально были известны только дрожжи верхового брожения, так как брожение различных соков происходило при обычной температуре. Желая получить напитки, насыщенные СО2, стали вести брожение при низкой температуре. Под влиянием изменившихся внешних условий получились дрожжи низового брожения, нашедшие широкое распространение в промышленности.
Как отмечалось ранее, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта — этанол и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная, лимонная и пировиноградная кислоты, ацет-альдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и так называемые сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты).
Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всех сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Однако сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента, содержащегося в оболочке дрожжевой клетки — р-фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде почти не остается фруктозы и глюкозы, дрожжи потребляют мальтозу.
Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара — до 60%. Они выдерживают также высокие концентрации спирта — до 14-16 об.%. Токсичное действие спирта увеличивается с повышением температуры.
В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2822 кДж.
Так как этот процесс энергетически более богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под влиянием кислорода воздуха получило название эффекта Пастера.
В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. cerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.
В хлебопекарных дрожжах ценят быстро размножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении. Подъемная сила определяется как особенностями рас дрожжей, так и способом ведения производства.
В пивоварении применяют низовые дрожжи вида S. carlsbergensis (в основном хлопьевидные расы). Брожение, вызываемое ими, хорошо протекает при температуре от 6 до 80С.
Основные требования, предъявляемые к пивным дрожжам: они должны быть микробиологически чистыми, а также обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом.
В виноделии ценятся дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. В виноделии применяют дрожжи S. vini, они энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. Большая часть винных дрожжей относится к дрожжам низового брожения. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин.
Дрожжи семейства несахаромицетов используют в качестве ценного корма для сельскохозяйственных животных.
В таких отраслях, как пивоварение и дрожжевое производство, дрожжеподобные грибы являются вредителями производства.
Зигомицеты. Ранее зигомицеты называли плесневыми грибами. Они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, протеоли-тические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоваренной — при частичной замене солода несоложеным зерном и т.д.
В производстве лимонной кислоты A. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.
Однако в ряде случаев зигомицеты вызывают порчу пищевых продуктов.