В пищевой промышленности

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.