Использование продуктов микробного синтеза для пищевых целей

По данным на 1998 г., аналог ренина, выделенный из грибов, удовлетворяет потребность в этом ферменте на одну треть. Микробный фермент широко используется в США и Франции - странах с большими традициями производства сыра.

Сразу же после внесения в молоко фермента, выделенного из животных или микроорганизмов, происходит ограниченный протеолиз казеина. Коагулированный казеин образует гелеподобную массу и соединяется с жиром, после чего сыворотку фильтруют, отжимают остаточную воду и высушивают завертыванием в ткань. Следующим этапом технологии является созревание сыра. Производство сыра из молока -- дегидратационный процесс, при котором происходит концентрирование казеина и жира в 6-12 раз. В процессе созревания некоторых сыров практикуется искусственное размножение микроорганизмов (бактерии и грибы) для придания сыру специфического вкуса и аромата.

Приблизительно 100 лет тому назад производство сыра достигло такого уровня и коммерческих масштабов, что производители перестали доверять процессу спонтанного размножения молочнокислых бактерий и начали применять чистые бактериальные культуры. Многообразие бактерий вызвало значительное расширение ассортимента сыров.

Вкус, аромат и качество разных сортов сыра определяют следующие факторы: разновидность молока (козье, коровье, овечье), температура приготовления сыра, наличие вторичной микрофлоры.

Если первичная микрофлора - молочнокислые бактерии осуществляют формирование сыра как продукта, то вторичная микрофлора (бактерии, грибы) придают аромат и свойства, определяющие специфический вкус сыра.

Из молока можно получить и другие продукты брожения. Из них можно выделить кислые продукты: йогурт - аналог грузинского мацони. Традиционно йогурт получают ферментацией в молоке болгарской палочки и термофильного стрептокока.

Сметану, кумыс, кефир, видя (распространенный напиток в Финляндии) и другие продукты получают из пастеризованного молока, обработанного молочнокислыми бактериями.

II. Технология производства алкогольных  напитков, сахарозаменителей, соков, кислот, водорослей

Технология производства алкогольных напитков

Биотехнологические подходы приобретают все большее значение в производстве напитков. Алкогольные напитки могут быть классифицированы по разным признакам; очевидно, наиболее целесообразной является их классификация по технологическим параметрам на ферментированные и неферментированные; по содержанию алкоголя - концентрированные, дистиллированные и неконцентрированные. Процесс ферментации (брожения) подразумевает не только образование спирта. В этом процессе в пределах метаболических возможностей дрожжей происходит последовательное преобразование подавляющего числа соединений бродящей среды. С помощью методов современной биотехнологии удается расширить метаболические возможности организмов, участвующих в брожении, отсюда очевидна роль биотехнологии в производстве алкогольных напитков.

Большинство алкогольных напитков получено переработкой злаков или другого крахмалсодержашего сырья. В Скандинавских странах, России, Голландии, Германии, Польше и др. традиционно популярно производство пива и крепких напитков из злаков. В южных странах - Испании, Италии, Франции, Греции, Югославии, Грузии - более традиционным считается получение напитков на основе переработки винограда. Все более популярным становится получение напитков разной крепости из фруктов (яблоко, слива, шелковица, персик, плоды тропических и субтропических растений) и меда.

Необыкновенное разнообразие алкогольных напитков вызвано несколькими причинами. Из них наиболее значительной является различие в климатических условий регионов, в которых производят напитки.

Производство и коммерция алкогольных напитков представляет собой стабильный бизнес еще со средних веков. Исходя из этого, любое новшество в таких консервативных областях, как производство вина, бренди (коньяк), виски, водки и др., сталкивается с большими сложностями. Следует отметить, что в серьезную международную проблему превратилось производство фальсифицированных алкогольных напитков. К сожалению, пока не удалось создать единую международную контролирующую систему, которая строго запретила бы использование некачественных спиртов, содержащих, помимо этилового, и некоторые другие высшие спирты.

Для получения алкогольных напитков применяются растительные субстраты моно-, ди- и олигосахариды и полисахариды (крахмал, целлюлоза, в редких случаях гемицеллюлоза).

Полисахариды нуждаются в предварительном гидролизе. Последний осуществляется соответствующими ферментами (амилазами, целлюлазами, гемицеллюлазами) или, реже, концентрированными неорганическими кислотами (для технических целей). Целлюлозе- и гемицеллюлозосодержащее древесное сырье считается непригодным для получения пищевого этилового спирта. Этиловый спирт, полученный таким путем, даже несмотря на высокий уровень дистилляции, пригоден лишь для технических целей.

После соответствующей обработки субстратов (гидролиз полисахаридов), в водный раствор сахара вносят дрожжевую культуру. Для проведения процесса брожения, как правило, используют культуры сахаромицетов. Сахаромицеты интенсивно усваивают различные моносахариды: глюкозу, фруктозу, галактозу; дисахариды: сахарозу, мальтозу, сбраживая их в этиловый спирт. Установлено, что сахаромицеты, по сравнению с другим дрожжами, проявляют высокую толерантность к этиловому спирту. По окончании процесса брожения этиловый спирт накапливается в количестве 14-16%. Интересно, что в бродящей среде такая концентрация спирта подавляет размножение дрожжей; к этому моменту отличительным качеством среды является повышение кислотности за счет вновь образовавшихся органических кислот. Именно такое сочетание определяет биологические качества сброженного водного раствора спирта, что отличает его от раствора чистого спирта той же концентрации.

Следующим процессом технологического цикла является дистилляция. Этот процесс с соответствующим аппаратурным оформлением хорошо изучен и подробно описан. Дистилляция представляет собой концентрирование этилового спирта и выделение чистой фракции, что значительным образом определяет качество алкогольных напитков.

Иногда с целью улучшения органолептических качеств готовых напитков прибегают к настаиванию концентрированного этилового спирта на разных ароматических веществах. Как правило, концентрация спирта в крепких напитках колеблется в пределах 20-50%. При производстве тонизирующих напитков и ликеров используют ароматические соединения, выделенные из цветов, листьев и плодов растений, а также полученные синтетическим путем Вино. Может показаться необычным, но технология производства вина, по сравнению с технологией производства пива является более простой. Этот процесс почти не изменился на протяжении 5 000 лет. Предполагают, что вино - напиток ближневосточный и европейский, в этих районах распространены разные сорта винограда. На протяжении столетий собирают урожай из белых и красных, селективно подобранных сортов винограда и выжимают сок, содержащий 15-25% сахара. Красное вино получают прессованием черного винограда и ферментацией всей виноградной массы. Розовое - добавлением кожицы красного винограда в сок белого. Еще не так давно брожение виноградного сока происходило спонтанно, за счет естественной микрофлоры. Сегодня подход к процессу спиртового брожения существенно изменился. Для стабильного производства высококачественного вина необходимо осуществлять брожение чистыми культурами дрожжей, заранее выделенными, желательно адаптированными к местным условиям. Для этого к виноградному соку добавляют одну из чистых культур бактерий. Брожение проводится в определенных условиях: в специальных сосудах большой емкости, при температуре 7°-14 °С. О завершении брожения судят по разным параметрам. Среди них важнейшими являются: остаточный сахар, количество этилового спирта, глицерина, летучих кислот. После окончания брожения процентное содержание этилового спирта в разных типах вин составляет 10--14%. Кроме этого, во время брожения часто происходит спонтанное, бактериальное брожение, при котором первичная яблочная кислота превращается в молочную. По окончание брожения молодое вино для старения переливают в резервуары больших размеров, часто дубовые. При хранении вина температура снижается и образуется осадок. Как правило, этот процесс сопровождается химическими изменениями бродящей массы.

С применением технологии рекомбинантной ДНК получены дрожжевые культуры с расширенным метаболическим спектром. Некоторые из них применяются только в конкретных случаях (сбраживание лактозы, целлобиозы, пентоз). В перспективе для приготовления экологически чистых вин целесообразно создать такие формы дрожжей, которые кроме своей главной функции (брожение) будут способны усваивать и превращать те химикаты, которые предусмотрены агротехническими мероприятиями и часто попадают в ягоды винограда, а затем и в вино.

Соки

Важное место в рационе питания человека занимают фрукты, овощи и ягоды в свежем виде или в виде консервов и соков. Современное производство соков немыслимо без применения ферментов, среди которых ведущее место принадлежит пектиназам -- комплексу ферментов, состоящему из полигалактуроназы, пектинметилэстеразы и др.

Пектиназы продуцируют микромицеты Aspergillus niger, бактерии Erwinia carotovora, Clostridium sp. и др. Применение пек-тиназ в производстве соков обусловлено тем, что они катализируют гидролиз пектиновых веществ растительных клеток, тем самым освобождая сок из клеточных структур. В 1 л виноградного сока содержится 0,2--4,0 г пектина, еще больше его в яблочном и томатном 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.

Пиво

Известно, что в растворе, содержащем сахаристые вещества, быстро развиваются микроорганизмы. Этот факт стал основой многих производственных технологий. Археологическими исследованиями в разных частях земного шара установлено, что сбраживание экстрактов злаковых культур применяли еще 6000 лет тому назад. Основными потребителями пива еще 15-20 лет тому назад считались страны Европы, США и Австралия; на сегодняшний день положение значительно изменилось. Пиво стало предметом повседневного потребления в Китае, Индии (из риса), в арабских странах. Значительно возросло потребление пива в Центральной и Южной Африке, Южной Америке (из сорго). Сегодня пиво пьют практически во всех странах. Это дало толчок невиданному развитию производства пива.

Пиво получают из злаковых, содержащих крахмал чаще всего для этой цели используют ячмень. Пиво производится по следующей технологической схеме.Сухой ячмень замачивают в воде для получения всходов, содержащих ферменты (амилаза и протеаза). Амилаза способствует разложению крахмала на олигодекстрины, чем в основном определяется вязкость пива и характерная способность к пенообразованию, протеаза катализирует гидролиз белков до аминокислот, которые необходимы для размножения дрожжей и формирования специфического аромата пива. После прорастания ростки солода дробят и помещают в воду при температуре 60°-65 °С. В результате инкубирования в этих условиях ростки теряют способность к дальнейшему росту (отмирают), а ферменты (амилаза, протеаза) сохраняют свою активность. Водный раствор ростков солода наливают в чан с субстратом и настаивают в течение нескольких часов. За это время протекают основные ферментативные процессы, при которых происходит гидролиз крахмала и белков. Водный раствор, или, как его называют, пивное сусло, отделяют от осадка и варят с хмелем для придания аромата и антисептических свойств, характерных для пива. После этого хмель удаляют фильтрацией и полученный раствор готов для сбраживания.

Ферментация или брожение протекает в специальном сосуде - биореакторе, где к раствору добавляется чистая культура дрожжей. Если можно внести какую-нибудь биотехнологическую новизну в эту ставшую классической технологию - это в первую очередь касается культуры дрожжей. С этой целью традиционно использовали селективно отобранные в течение сотен лет дрожжи.

Технология производства сахарозаменителей

Употребление сахарозы или любого другого натурального сахара даже при рациональном подходе в ряде случаев вызывает развитие атеросклероза, диабет, прибавление в весе и ряд других патологий. Поэтому большое внимание уделяется изысканию эквивалентных вкусовых сахарозаменителей не сахаристой природы. Соединения, обладающие сладким вкусом, могут быть разделены на две группы: природные органические соединения - белки, дипептиды и другие натуральные соединения и вещества, полученные путем химического синтеза.

Как правило, при выборе сахарозаменителей большое внимание уделяется их способности включаться в метаболизм, калорийности, безопасности для здоровья человека, а также себестоимости и технологии получения. На сегодняшний день в научной литературе описано большое количество сахарозаменителей, но по разным причинам реально в практике применяется только их небольшая часть.

К натуральным сладким соединениям относятся моносахариды и низкомолекулярные олигосахариды, продукты гидролиза крахмала и частичной изомеризации - смесь глюкозы и фруктозы, а также соединения неуглеводного типа. Сахарозаменитель сахарин, получаемый химическим синтезом и в течение нескольких десятков лет интенсивно используемый в кондитерской промышленности, сегодня полностью вытеснен новыми натуральными, низкокалорийными сахарозаменителями, например, метилированным дипептидом аспартамом, производимым биотехнологическим методом. Аспартам (торговое название "Нутрисвит") широко применяется в производстве диетических напитков.

При синтезе аспартама аминокислота фенилаланин является самым дорогим компонентом, ее в большом количестве получают путем культивирования соответствующего продуцента. Токсикологические исследования в течение десяти лет предшествовали применению аспартама в производстве пищевых продуктов.

Среди большого числа других сахарозаменителей заслуживает внимания стевиозид, содержащийся в растении Stevia vebaudiana, распространенном в Южной Америке. Это растение культивируется на Черноморском побережье, дает хороший урожай в виде сладких листьев. Широкое использование стевиозида в пищевой промышленности пока ограничено ввиду сложности его получения в чистом виде.

Сахарозаменители другого типа -- флавонол-7-глюкозиды -содержат цитрусовые растения. В результате незначительной химической модификации этих соединений образуются дигидрохалконы, которые намного слаще сахара. Наибольший интерес среди этих соединений представляют нарингениндигидрохалкон, неогесперединдигидрохалкон и гесперединдигидрохалкон-4-Я-D-глюкозид. Последние два соединения в 300 раз слаще сахарозы. Что касается нарингениндигидрохалкона, характеризующегося незначительной токсичностью, тоэто соединение в 2000 раз слаще сахарозы. Хорошим сырьем для получения неогесперединдигидрохалкон-4-Я-глюкозида является цитрусовый отжим, накапливающийся при переработке цитрусовых (получение сока).