Биотехнологическое получение пищевых продуктов (пиво, вино, кефир, этиловый спирт)

Для процессов  ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов  молочнокислых грибков и молочнокислых бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не удалось, поэтому поддерживается культура, выделенная из природных источников. При подборе культур для заквасок придерживаются следующих требований:

- состав  заквасок зависит от конечного продукта (например, для получения ацидофилина используется ацидофильная палочка, для производства простокваши - молочнокислые стрептококки);

- штаммы  должны отвечать определенным  вкусовым требованиям; - продукты  должны иметь соответствующую консистенцию, от ломкой крупитчатой до вязкой, сметанообразной;

- определенная  активность кислотообразования;

- фагорезистентность  штаммов (устойчивость к бактериофагам);

- способность  к синерезису (свойству сгустка  отдавать влагу);

• образование ароматических веществ;

- сочетаемость  штаммов (без антагонизма между  культурами);

- наличие  антибиотических свойств, т.е.  бактериостатическое действие по  отношению к патогенным микроорганизмам; 

- устойчивость  к высушиванию. 

Культуры  для заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится направленный мутагенез и отбор штаммов, отвечающих перечисленным выше требованиям. Биотехнологии на основе молока включают, как правило, все основные стадии биотехнологического производства, которые можно рассмотреть на примере сыроварения.

Сыроварение - один из древнейших процессов, основанных на ферментации. Сыры бывают самые разнообразные - от мягких до твердых. Мягкие сыры содержат много воды, 50-60%, а твердые - мало, 13-34%. На первом этапе идет подготовка молока (первичная обработка). На втором - готовится культура молочнокислых бактерий. Микроорганизмы подбираются в определенной пропорции, обеспечивающей наилучшее качество. Набор бактерий также зависит от температуры термообработки. Третья стадия - стадия ферментации, - в сыроварении в некоторых случаях происходит в 2 этапа, до и после стадии выделения. Сначала молоко инокулируют определенными штаммами микроорганизмов, приводящими к образованию молочной кислоты, а также добавляют сычужный фермент реннин. Реннин ускоряет превращение жидкого молока в сгусток (створаживание) в несколько раз. Эта реакция активируется молочной кислотой, вырабатываемой бактериями. Функции реннина могут выполнять и другие протеиназы, но реннин также участвует в процессах протеолиза, происходящих в сыре при созревании. После образования сгустка сыворотку отделяют, а полученную творожистую массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созревание. Иногда полученная масса происходит дополнительную обработку, которая заключается в следующем: заражение спорами голубых плесневых грибов при производстве рокфора; нанесение на поверхность спор белых плесневых грибов при производстве камамбера и бри; нанесение бактерий, необходимых для созревания некоторых сыров. Некоторые сыры после выделения должны подвергнуться дальнейшей ферментации (стадия созревания). Микроорганизмы и ферменты в ходе этого процесса гидролизуют жиры, белки и некоторые другие вещества молодого сыра. В результате их распада образуются вещества, придающие сырам характерный вкус.

Процессы  ферментации при производстве многих молочных продуктов, таких как сметана, творог, многие сыры идут в ферментерах  открытого типа. Как правило, они  занимают немного времени. К одним  из самых простых относят производство кефира, простокваш, сметаны и масла. Например, при производстве сметаны к сливкам добавляют 0,5-1% закваски, используемой при производстве масла. Далее продукт выдерживают, пока концентрация кислоты не достигнет 0,6%. В заключение хотелось бы добавить, что процессы получения молочнокислых продуктов весьма просты и доступны для воспроизводства в домашних условиях. Они не требуют строгих условий соблюдения стерильности, протекают, как правило, при комнатной или чуть повышенной температуре. Собственно, изначально они были одними из первых "домашних" биотехнологий, которые были позднее поставлены на промышленную основу.

Популярным  отечественным молочнокислым продуктом  можно считать кефир. В глубокой древности для приготовления кефира кобылье, козье, овечье или коровье молоко засевали так называемыми "кефирными зернами". Это была естественная симбиотическая микрофлора, включающая молочнокислые бактерии Lactobacillus casei, дрожжи Saccharomyces kefir и некоторые виды сопутствующих стрептококков. Молоко сбраживалось в бурдюках; в результате выделения диоксида углерода напиток становился шипучим. Современный кефир в основном готовят путем заквашивания коровьего молока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     Дрожжи и продукты дрожжевого  брожения.         

  Дрожжи являются  одними из самых распространенных  микроорганизмов. Они встречаются  в верхних слоях почвы, в  пыли, ягодах и цветах, во многих  растениях. Они почти всегда  встречаются на яблоках, грушах, винограде, смородине, клубнике  и других плодах. Иногда дрожжей так много, что они образуют налет сероватого цвета, видимый невооруженным глазом. Дрожжей много в почве садов и виноградников. Дрожжи распространяют пчелы, осы и другие насекомые, а также ветер. Попадая в благоприятную среду, дрожжи размножаются с удивительной быстротой. В течение всей истории цивилизации дрожжи постоянно находились в сфере деятельности человека и часто напоминали о себе, вызывая процессы брожения различных продуктов.

                                           Пивные дрожжи и пиво.

 Спиртовое брожение  лежит также в основе пивоварения.  Пиво относят к так называемым  солодовым слабо алкогольным  напиткам, получаемым в результате  сбраживания дрожжами экстрактов  из семян хлебных злаков (солода). В подобных экстрактах содержатся  сбраживаемые углеводы.

В различных сортах пива находятся этанол, углеводы (глюкоза, мальтоза, мальтотриаоза, мальтотетраоза, декстрины), азотистые вещества (амиды, аминокислоты, пептоны), диоксид углерода- продукты ферментативного гидролиза  осоложенного зерна; горечи, смолы, танин, эфирные масла - из соцветий женских особей хмеля, следы неорганических солей и жира. Окраска, аромат и крепость пива зависят от штамма дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, S. carlsbergensis  и др.). Выбор штамма является наиболее важным условием, определяющим свойства пива: его окраску, аромат, крепость.

В России наиболее широко используют S. cerevisiae низового брожения, расы 776, 41, 44, 11, 8а(М), Р и F.

На практике чаще всего применяют ячменный солод. Для его приготовления зерна ячменя увлажняют, проращивают при 15 - 25'С до тех пор, пока зародышевый листок становится в 3 - 4 раза длиннее зерна, затем проросший ячмень высушивают до конечной влажности солода 5%; В таком виде солод может хорошо сохраняться, при этом он имеет специфические окраску и аромат. Солод светлого цвета получается при более низкой температуре высушивания, более темного цвета - при повышенной температуре (светлые сорта пива содержат меньше углеводов, чем темные сорта). Отделенный от проростков сухой солод может быть использован не только в пивоварении, но и в винокурении (получении спирта), в кондитерском производстве.

Если пиво изготавливают  из солода, воды (без каких-либо "дополнителей"), то следующим этапом является затирание, когда стремятся перевести в  раствор наибольшую часть содержимого солода. Затирание чаще осуществляют либо настаиванием, либо вывариванием. По первому методу солод дробят, размешивают в воде при температуре 38 - 50'С (выдерживают 1 час), когда активизируются бактериальные ферменты протеазы, затем температуру повышают до 65- 70'С и оставляют затор на несколько минут для гидролиза крахмала. После этого температуру повышают до 75 - 77'С для денатурации ферментов и затор фильтруют.

По второму методу (вываривание) размолотый солод вносят в теплую (40'С) воду, размешивают и постепенно повышают температуру затора до 75'С; около 1/3 такого затора отбирают и непродолжительно кипятят, после чего его возвращают в основной затор. При этом ферменты разрушаются, клеточные стенки набухают, крахмал "распускается" (разжижается), чем облегчается его гидролиз в основном заторе. Кипячение и возврат части затора можно повторять 2 - 3 раза. Пиво, полученное на настоенном заторе, более ароматное, поскольку в него переходит меньше горьких веществ.

Пиво высокого качества можно получить только при отсутствии в сбраживаемом растворе посторонних микроорганизмов, что требует соблюдения строгих мер предосторожности на всех стадиях пивоварения. В последние годы установлена способность дрожжей к самозащите обитаемого субстрата. Среди них обнаружены особые, агрессивные штаммы, уничтожающие другие виды микроорганизмов. Эти штаммы названы убийцами, или киллерами. Способность дрожжей убивать чужеродные микроорганизмы определяется особыми генами, локализованными в цитоплазме клетки. Их деятельностью управляют хромосомные гены. Путем скрещивания дрожжей, имеющих агрессивные свойства, с промышленными пивными дрожжами получен штамм пивных дрожжей, убивающий дикие дрожжи. Селекционеры надеются получить штаммы пивных дрожжей, уничтожающие также бактериальную микрофлору.

 

Пивоварение можно  отнести к весьма консервативным отраслям народного хозяйства. Это  частично объясняется тем, что изготовление каждого сорта фирменного высококачественного  пива традиционно связано с рядом  взаимосвязанных технологических тонкостей. Тем не менее, в пивоварении постоянно внедряются новые технологические приемы, позволяющие интенсифицировать производственные процессы.    Среди них наибольший интерес представляют непрерывные процессы, например непрерывное солодование, а также непрерывное брожение пивного сусла в специальных бродильных колоннах с рециркуляцией дрожжей при использовании флокулирующихся штаммов. Усовершенствовать пивные дрожжи можно также, индуцируя им способность к флокуляции (слипанию клеток) в конце ферментации, что позволяет удалить дрожжи из готового пива. Флокуляция зависит от состава среды, условий культивирования, но одновременно является также генетически детерминированным свойством, контролируемым генами. Пивные дрожжи относят к разряду флокулирующих, оседающих при осветлении молодого пива и в конце дображивания; они не сбраживают декстрины (эти полимерные углеводы вносят определенный вклад в создание вкуса пива). В последние годы удалось перенести ген Васsubtilis детерминирующий глюканазу в пивные дрожжи Scerevisiaе. Этот рекомбинантный штамм оказался способным перерабатывать крахмал непосредственно в этанол.

 

Трудоемкий и  продолжительный процесс солодования  зерна заменяют обработкой его комплексом осахаривающих ферментов микробного происхождения. Для изготовления сусла можно заменить часть солода ферментолизатом муки (рис. 2).

Такое сусло содержит как гидролизованный  крахмал, так и гидролизованные  белки зерна и по химическому  составу близко к натуральному суслу, которое добавляют к ферментируемому  суслу в небольших количествах  в качестве источника вкусовых и арматизирующих веществ.

Из  традиционных алкогольных напитков можно упомянуть русский хлебный  квас, содержащий менее 0,5% этанола, популярный в Японии алкогольный продукт  Саке (12 - 24% этанола), таэте - алкогольный  напиток, приготовляемый из молока и с давних пор применяемый в Скандинавских странах - содержит менее 2% этанола, и другие.

 

                    Биотехнологическое получение этилового  спирта.

  В  основе биотехнологического получения  этилового спирта, лежит процесс  брожения - один из разновидностей биологического окисления субстрата у гетеротрофных микроорганизмов. Биотехнологические бродильные процессы изучены сравнительно давно. Однако некоторые процессы брожения реализованы на практике только сейчас. В основе брожения лежит универсальная реакция превращения источника углерода глюкозы в ключевой промежуточный продукт-пировиноградную кислоту, из которой синтезируются дальнейшие продукты, включая этиловый спирт. Возбудителями спиртового брожения могут быть дрожжи - сахаромицеты, некоторые мицелиальные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sarcinaventricula, Zymomonas mobilis, Zanaerobia).

По  расходу сырья производство этилового  спирта самое крупное биотехнологическое производство в мире. Однако по стоимости  валового продукта этанол занимает третье место среди крупнотоннажной продукции.

Как известно, этанол широко используется в химической, фармакологической и пищевой  промышленности. Кроме того, он может  стать источником энергетических ресурсов.

 

 

 

                 На схеме показаны основные пути использования этанола.

  Из  этанола получают этилен - традиционное сырье для органического синтеза. Из 3,8 кг сахара можно получить 1,7 кг этанола, из него - 1 кг этилена. Этанол как жидкое топливо пока не может конкурировать с бензином, поскольку, например, в США, полученный из зерна этанол в 2-3 раза дороже бензина. Существуют национальные программы замены части бензина (до 20%) этанолом как топлива для автомобильного транспорта, что позволит уменьшить импорт нефти. Бразилия еще в 1992 г. планировала получить из тростникового сахара 3,8 млрд. л этанола, чтобы сократить импорт нефти на 4 млрд. долларов.

  Необходимо  отметить, что производство спирта - одна из самых старых отраслей  биотехнологии. Хорошо изучены  различные продуценты этанола,  биохимия процессов спиртового  брожения. Материальный баланс спиртового брожения имеет следующий вид:

              СnН2nОn + 0,005 NН3 - 0,04 X + 0,49 С2Н5ОН + 0,47 СО2.

           

                           Биотехнологическое получение вина

  Спиртовое  брожение находится также в  основе виноделия. Вина обычно  получают из сока спелого неиспорченного винограда, отделенного или неотделенного от мезги (например, при изготовлении красных вин). Индукторами брожения являются различные расы Saccharomyces cerevisiae. В винах, кроме этанола, содержатся: белки, пигменты, неорганические соли, летучие и нелетучие органические кислоты, танин, в некоторых сортах - углеводы, глицерин.

Вина  классифицируют по-разному. Так различают: сортовые- по сорту винограда, купажные - из смеси сортов; сладкие и сухие - по содержанию сахара; натуральные и крепленые, столовые и десертные - по содержанию спирта; игристые и неигристые - по содержанию углекислоты; белые и красные - по цвету; ординарные и марочные - по срокам выдержки.

Как пояснение  к классификации можно отметить, что в сухом вине сахар фактически полностью сброжен, а если он имеется, то в таком количестве, что не ощущается на вкус. В сладких винах сахар выражение ощущается на вкус. Натуральные вина содержат, как правило, 9-11% этанола, реже-- 13%. В крепленые сухие вина добавляют коньяк или винный спирт. Столовые вина содержат менее 14% спирта, десертные - более 14% (в среднем около 20%J и некоторое количество сахара. Игристые вина содержат значительное количество диоксида углерода, образующегося при дображивании вина в толстостенных сосудах или добавляемого к натуральным винам; к игристым относят шампанское - продукт вторичного брожения вина, когда к не до бродившему вину перед разливом в герметизированные бутылки добавляют ликер до содержания сахара 2,2%, В России разработана технология производства шампанского непрерывным методом. В шампанском содержится не только повышенное количество углекислоты, но и ряд ценных метаболитов, сказывающихся на специфическом вкусе этого вина.