Микробиологические основы технологии продуктов питания из растительного сырья

Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В основе многих процессов лежат реакции обмена веществ, происходящих при росте и размножении некоторых микроорганизмов.

С помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты, органические кислоты и т.д.

В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов.

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 по уравнению

C₆H₁₂O₆ ® 2CH₃ – CH – COOH + 75 кДж

|

OH

В производстве ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гомоферментативные участвуют только в кислотообразовании, а гетероферментативные, наряду с молочной кислотой, образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода.

В спиртовой промышленности молочнокислое брожение применяется для подкисления дрожжевого сусла. Дикие молочнокислые бактерии неблагоприятно влияют на технологические процессы бродильных производств, ухудшают качество готовой продукции. Образующаяся молочная кислота подавляет жизнедеятельность посторонних микроорганизмов.

Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ.

Маслянокислые бактерии превращают сахар в масляную кислоту по уравнению

C₆H₁₂O₆ ® CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂ + H₂ + Q

Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), т.к. они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту по уравнению

C₂H₅OH + O₂ ® CH₃COOH + H₂O +487 кДж

Уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства, т.к. приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении вызывает порчу пива.

Дрожжи. Применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, в хлебопечении.

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 имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а отдельные разновидности вида называют расами. В каждой отрасли применяют отдельные расы дрожжей. Различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У пылевидных клетки изолированы друг от друга, а у хлопьевидных клетки склеиваются между собой, образуя хлопья, и быстро оседают.

Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S. сerevisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей 25-30 ⁰С, а минимальная температура около 2-3 ⁰С. При 40 ⁰С рост прекращается, дрожжи отмирают, при низких температурах размножение приостанавливается.

Различают дрожжи верхового и низового брожения.

Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относят большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения – спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей.

Как известно, в процессе спиртового брожения из глюкозы образуется два основных продукта – этанол и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная, уксусная и пировиноградная кислоты, ацетальдегид, 2,3-бутиленгликоль, ацетоин, эфиры и сивушные масла (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и другие спирты).

Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности, обусловленной скоростью их диффузии в дрожжевую клетку. Быстрее всего сбраживаются дрожжами глюкоза и фруктоза. Сахароза, как таковая, исчезает (инвертируется) в среде еще в начале брожения под действием фермента дрожжей b - фруктофуранозидазы, с образованием глюкозы и фруктозы, которые легко используются клеткой. Когда в среде не остается глюкозы и фруктозы, дрожжи потребляют мальтозу.

Дрожжи обладают способностью сбраживать весьма высокие концентрации сахара – до 60 %, они выносят также высокие концентрации спирта – до 14-16 об. %.

В присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи получают энергию за счет кислородного дыхания:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ® 6CO₂ + 6H₂O + 2824 кДж

Так как процесс более энергетически богат, чем процесс брожения (118 кДж), то дрожжи тратят сахар значительно экономнее. Прекращение брожения под действием кислорода воздуха называют эффектом Пастера.

В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. сerevisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.

В хлебопекарных дрожжах ценят быстроразмножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении.

В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Они должны быть микробиологически чистыми, обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата. Температура брожения 6-8 ⁰С.

В виноделии ценят дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.

Зигомицеты – плесневые грибы, они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Aspergillus продуцируют амилолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоварении при частичной замене солода несоложеным сырьем и т.д.

В производстве лимонной кислоты А. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.

Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, это культурные микроорганизмы, с другой - в пищевые производства попадает инфекция, т.е. посторонние (дикие) микроорганизмы. Дикие микроорганизмы распространены в природе (на ягодах, плодах, в воздухе, воде, почве) и из окружающей среды попадают в производство.

Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на пищевых предприятиях эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция.

Для развития, роста и размножения микроорганизмов необходима энергия. Способы добывания энергии у микроорганизмов различны. Большинство из них живут за счет энергии, высвобождающейся при окислении различных соединений кислородом. Микроорганизмы, использующие энергию только за счет окисления кислородом, называю облигатными аэробами. Но есть микроорганизмы, которые получают энергию без участия кислорода воздуха за счет сопряженного окисления – восстановления неорганических и органических соединений, содержащихся в субстрате. Такие микроорганизмы называют облигатными анаэробами. Существуют также промежуточные формы микроорганизмов – факультативные аэробы и анаэробы.

Микроорганизмы, обладающие лабильным обменом веществ, т.е. живущие за счет окисления кислородом воздуха и сопряженных ОВР без участия кислорода воздуха называют факультативными аэробами. При недостатке кислорода они могут переходить на анаэробный способ существования. Микроорганизмы, которые могут жить как при доступе кислорода, так и без него, называют факультативными анаэробами.

Они живут только за счет сопряженного окисления-восстановления различных соединений без привлечения кислорода.

Анаэробные микроорганизмы, к которым относятся многие бактерии и некоторые дрожжи, получают энергию для жизнедеятельности в процессе брожения.

Чтобы культура микроорганизмов могла нормально расти, размножаться и осуществлять биосинтез, необходимы оптимальные условия окружающей среды: химические факторы – состав и концентрация питательных веществ, присутствие активаторов и ингибиторов; физические – температура, давление, рН, плотность, подвижность среды, освещение.

Один из важных факторов – питательная среда. Микроорганизмам требуется целый ряд необходимых элементов питания (углерод, азот, фосфор и др.)

Для микробиологических процессов также большое влияние оказывает реакция среды. Для каждой культуры микроорганизмов есть свои пределы оптимума, максимума и минимума рН. Большинство организмов лучше всего развиваются в нейтральной среде. Так же большое внимание оказывает температура. Большинство используемых в промышленности микроорганизмов по отношению к температуре являются мезофиллами: их развитие происходит при 25-37°С. Психрофильные микроорганизмы растут в интервале 0-15°С, а термофильные в интервале 55-75°С. Обычно при повышении температуры процессы биосинтеза интенсифицируются, если это повышение не ингибируют определяющие биосинтез ферменты.

Нормальное функционирование клетки, т.е. обмен веществ, рост и размножение, может происходить только тогда, когда в ней содержится достаточное количество воды и клетки погружены в водную среду с растворенными в ней питательными веществами. При уменьшении содержания воды снижается интенсивность биохимических процессов, а следовательно и интенсивность жизненных процессов.

Таким образом, в благоприятных условиях, т.е. где есть раствор питательных веществ, а также соблюдены все соответствующие физические и химические факторы, в клетках микроорганизмов начинаются ферментативные процессы, т.е. обмен веществ с окружающей средой. Из веществ, проникающих в клетку, образуются внутриклеточные вещества и структурные элементы, происходит ассимиляция. Одновременно идут процессы распада веществ – диссимиляция. Если первые процессы преобладают над вторыми, наблюдается рост клетки. Достигнув определенных размеров в соответствующей фазе развития, клетка может начать размножаться.

Поиск по сайту: