В пищевой промышленности

В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки – пиво, спирт, вино – и другие продукты получают при помощи дрожжей, в хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности – молочнокислые бактерии, при получении лимонной кислоты – плесневые грибы и т. д.

Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение. Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Обычно их называют по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения, например, спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое.

Основная цель производств с применением микроорганизмов – превращение субстрата (питательной среды) под действием ферментов микроорганизмов в необходимые продукты или (при производстве дрожжей) – накопление максимального количества культивируемых дрожжей.

Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, – бактерии, дрожжи и плесневые грибы.

Далее рассматривается роль микроорганизмов в пищевой промышленности из растительного сырья. При рассмотрении основных принципов переработки сырья животного происхождения будет оценена роль микроорганизмов в молочной отрасли.

Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, маслянокислого, ацетонобутилового брожения.

Молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту по уравнению:

С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃СНОНСООН + 75 кДж.

В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям. В процессе получения ржаного хлеба участвуют гомоферментативные (в процессе жизнедеятельности образуют в основном только молочную кислоту) и гетероферментативные (наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты, в основном уксусную, а также спирт и диоксид углерода) бактерии. Гомоферментативные в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а гетероферментативные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного теста оказывают существенное влияние 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 может применяться для подкисления дрожжевого сусла. 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, а для спиртового брожения эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие дрожжей и инактивирует α-амилазу.

Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению:

С₂Н₅ОН + О₂ → СН₃СООН + Н₂О + 487 кДж.

Следует отметить, что развитие уксуснокислых бактерий является вредным для спиртового производства, так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывая его порчу.

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 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 Saccaharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а остальные 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.

В пищевой промышленности используют дрожжи верхового и низового брожения. 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 относятся большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей.

В процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта – этиловый спирт и диоксид углерода, а также вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная и лимонная кислоты, ацетальдегид, 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 – β-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 выносят 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 + 2870 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 пивоваренном производстве в основном используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам (6–8 °С).

Пивные дрожжи должны обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом.

В таких отраслях, как пивоварение и дрожжевое производство, дрожжеподобные грибы являются вредителями производства.

Плесневые грибы. Играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, протеолитические 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 Aspergillus niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.

Однако в большинстве случаев плесневые грибы вызывают порчу растительного сырья и пищевых продуктов.