Получение лимонной кислоты 8 страница

Если для производства спирта используют мелассу, такие предварительные операции не нужны, поскольку углеводы в ней содержатся в форме, пригодной для сбраживания. Тем не менее, сырье все же приходится подготавливать к процессу: осветлять, подогревать и разводить водой, чтобы получить концентрацию сахара, оптимальную для брожения. После подготовки сырья добавляют культуру подходящих дрожжей и ведут сбраживание.

Образование этилового спирта дрожжами – это анаэробный процесс, но для их размножения нужен кислород. Сам процесс метаболизма, жизнеспособность клеток, их рост, размножение и образование спирта зависят от концентрации субстрата, кислорода и конечного продукта (спирта).

Большую роль в увеличении выхода продукта играет отбор штаммов дрожжей, более устойчивым к повышенным концентрациям как субстрата, так и спирта. Для большинства видов дрожжей оптимальная для их жизнедеятель-

Сырье: меласса, сок сахарного тростника, крахмал, целлюлоза

Подготовка: гидролиз, осветление, фильтрация, пастеризация

Ферментация

Перегонка

Обезвоживание

Денатурация

Кубовые остатки, концентрирование

Рис. 9.1. Схема процесса производства этанола

ности температура лежит в пределах от 25 до 33 ºС. Проведение процесса при рН 4-5 снижает опасность микробного обсеменения посторонними микроорганизмами.

Если принять, что исходным сырьем является глюкоза, общую схему получения этанола можно представить следующим образом:

С₆Н₁₂О₆ 2(СН₃СН₂ОН) + 2(СО₂)

Требования к дополнительным источникам питания определяются природой сырья, используемого при подготовке субстрата. Так, если сырьем служит меласса, то необходимо добавлять вещества – источники азота и фосфора, а если в основе лежит высоко очищенный гидролизат крахмала, то может понадобиться добавить незаменимые микроэлементы и витамины.

Существуют три основных способа сбраживания сахаросодержащего сырья: периодический, периодический с повторным использованием клеток и непрерывный. При периодическом процессе субстрат сбраживается после внесения в него свежевыращенной закваски, полученной в аэробных условиях. Брожение протекает в анаэробных условиях, и весь оставшийся субстрат превращается при этом в спирт. После завершения брожения дрожжи удаляют, для следующего цикла получения спирта выращивают новую порцию закваски.

При использовании дрожжей по периодической схеме около 5 % сахара расходуется на рост клеток и энергообеспечение синтеза других соединений: уксусной кислоты, сивушных масел, ацетальдегида и др. По этой причине максимальный выход составляет 48 % от субстрата по массе. Следует отметить, что для периодического процесса характерна малая объемная продуктивность: за 36 часов брожения образуется 5 %-ный (вес/объем) раствор спирта, что соответствует образованию в среднем 1,4 г спирта на 1 л за 1 ч. Недостатками периодического процесса также являются длительное сбраживание и неполное использование субстрата.

Эти недостатки можно устранить, применяя периодическую схему с повторным использованием клеток. При этом в конце цикла дрожжевые клетки отделяют от сброженной пульпы и сохраняют для использования в следующем цикле. Путем применения схемы с повторным использованием клеток или непрерывного брожения выход спирта можно повысить до более чем 10 г/л в час. При этом клетки отделяются от барды и используются заново: тем самым поддерживается высокая концентрация клеток в среде.

По завершении сбраживания концентрация спирта в среде составляет 6-12 %. Она зависит от штамма дрожжей и начальной концентрации сахара. Остатки дрожжей отделяют путем отстаивания или центрифугирования.

Для получения 96 %-ного спирта нужна перегонка. Применяют два способа: кубовый и непрерывной перегонки (патент Коффи, 1830 г.). После этого продукт или отправляют на созревание (например, виски), или проводят завершающие операции и разливают по бутылкам (джин, водка). Для продажи спиртопродукты обычно разводят до стандартной концентрации в них спирта (40 % по объему). При производстве алкогольных напитков (водки, ликероводочных изделий и др.) применяют этиловый спирт высокой степени очистки (ректификат). Технический спирт применяют главным образом как горючее для двигателей внутреннего сгорания. Этанол используют как растворитель, экстрагент и антифриз.

Еще один вид спирта – безводный (абсолютный) – получают при использовании бензола в десятикратном объеме по отношению к объему удаляемой воды.

Особенности производства различных видов спиртопродуктов

При выработке спиртопродуктов разных видов очень важно использовать соответствующий штамм дрожжей. При выработке рома для производства сортов с сильным запахом обычно применяют штаммы дрожжей Schizosaccharomyces, а с менее интенсивным – быстродействующие дрожжи Sacсharomyces. Отметим, что процесс образования спирта ускоряется бактериями Clostridium sacсharobutyricum. Самый лучший ром получают в том случае, когда соотношение бактерий к дрожжам составляет 1:5. Культуру бактерий вносят, когда концентрация спирта достигает 3,5-4,5 %, а сахара – 6 %.

Производство сакэ, или рисовой водки (Япония), похоже скорее на пивоварение, чем на виноделие, поскольку сбраживаемым углеводом является крахмал. Последний превращается в сбраживаемые сахара под действием Aspergillus oryzae, споры которого смешивают с размолотым и сваренным на пару рисом и инкубируют пять-шесть дней при 35º С. Полученный продукт смешивают с распаренным рисом и засевают штаммом Sacсharomyces сerevisiae (мото). Брожение продолжается не менее трех недель. Приготовление сакэ – сложный и труднорегулируемый процесс, требующий освоения различных способов брожения (в полутвердом и затопленном состоянии) и последовательного регулирования микробных популяций: сначала плесневых грибов (Aspergillus oryzae), затем бактерий (Lactobacillus и Leuconostoc spp.) и наконец дрожжей (S. сerevisiae). К концу брожения сакэ содержит не менее 20 % спирта по объему. Концентрация спирта перед выходом в торговую сеть доводится обычно до 16 % по объему.

9.2. Хлебопечение

В различных странах мира используются самые разнообразные технологии хлебопечения.

Биотехнологические процессы в хлебопечении связаны с использованием хлебопекарных дрожжей, других заквасок, вызывающих брожение, а также некоторых ферментных препаратов.

Для производства хлеба в основном применяют дрожжи Saсcharomyces сerevisiae.Обычно их выращивают в ферментерах периодического действия на мелассе – отходе сахарного производства. Реже используют дрожжи вида Candida milleri. Дозировка прессованных дрожжей при производстве хлебобулочных изделий обычно составляет 1,0-1,5 % к массе муки. При производстве хлеба ферментационный процесс осуществляется в пастообразной среде (опара, тесто). Мука содержит ферменты (амилазу и протеазу), которые обеспечивают частичный гидролиз крахмала и белков муки, создавая благоприятный субстрат для роста дрожжей. В муке также содержится много молочнокислых бактерий, которые создают в тесте кислую среду, способствуя росту дрожжей. Условия аэрации в тесте плохие, поэтому развитие дрожжей ограничено, но молочнокислые бактерии в таких условиях размножаются достаточно интенсивно. В целях интенсификации процесса брожения в тесто можно добавить сахарозу или солодовый экстракт. В дрожжах, выращенных на мелассе, много инвертазы. В биомассе дрожжей около 50 % белков, свободные аминокислоты и витамины (рибофлавин, пиридоксин, тиамин, фолиевая кислота и др.), то есть дрожжи обогащают хлеб ценными веществами.

В Германии и США из ржаной муки выпекают хлеб «с кислинкой». Основа технологии здесь та же, что и при выпечке хлеба из пшеничной муки, но при замесе ржаной муки и воды добавляют опару, заквашенную смешанной культурой лактобацилл. Содержащаяся в этой закваске (опаре) кислота и придает хлебу особый вкус.

9.3. Применение ферментов при выработке фруктовых соков

Применение ферментов, полученных из микроорганизмов – один из главных путей, которые биотехнологи используют и будут использовать для интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности. Наибольшие успехи были достигнуты при производстве фруктовых соков: здесь используют такие ферменты, как пектиназы, целлюлазы, гемицеллюлазы, амилазы и протеиназы. Эти ферменты применяются не только в давно освоенных производствах; с их помощью удалось расширить ассортимент и добиться бόльшего выхода продукции из сырья.

Ведущее место в производстве соков принадлежит пектиназам. В 1 л виноградного сока содержится 0,2-0,4 г пектина, еще больше его в яблочном и виноградном 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. Пектолитические ферментные препараты хорошо зарекомендовали себя при получении гомогенных пюре для детского и диетического питания.

Ферменты используются на следующих основных стадиях переработки фруктов:

1. Обработка мезги: разрушение мякоти при выработке фруктовой кашицы или нектаров; увеличение выхода сока; лучшее отделение веществ, ответственных за цвет и вкус.

2. Обработка сока: уменьшение вязкости; облегчение изготовления концентратов; упрощение процедур осветления, фильтрования и стабилизации сока.

Выбор ферментов и способов их применения для получения наилучших результатов при выработке соков производится с учетом следующих факторов: активности фермента; условий (температуры и продолжительности) обработки; необходимости гидролиза пектиновых веществ; механизма осветления.

9.4. Консервированные овощи и другие продукты

Как и в случаях многих других разновидностей пищевого сырья, необходимость сохранения овощей для употребления их в течение всего года привела к возникновению ряда новых пищевых продуктов. Брожение в данном случае способствует сохранению питательных компонентов продукта, которые без консервирования подвергаются разрушению вследствие порчи.

Для консервирования овощей их пропитывают рассолом, в котором они подвергаются брожению. Первая стадия – рост в рассоле аэробной микрофлоры на поверхности овощей. Затем в процесс включаются молочнокислые бактерии рода Lactobacillus и дрожжи, относящиеся к родам Saccharomyces и Torulopsis. К результате брожения образуются молочная и уксусная кислоты. В дальнейшем дрожжи вытесняют молочнокислые бактерии. Брожение завершается, когда использованы все сбраживаемые углеводы овощей. Однако некоторые виды дрожжей, относящиеся к родам Candida, Debaryomyces и Pichia, продолжают расти на поверхности рассола. Это может привести к чрезмерному образованию кислоты, приводящему к ухудшению вкуса продукта, и последующей порче.

В современной технике консервирования овощей используют микробные штаммы, в частности, штаммы молочнокислых бактерий, подвергшиеся селекции. Пастеризация на последней стадии консервирования уничтожает микроорганизмы и гарантирует качество продукта.

Кислую капусту готовят из свежей измельченной капусты. После добавления соли на первых стадиях брожения доминируют бактерии Leuconostoc mesenteroides, которые в анаэробных условиях превращают сахара в молочную и уксусную кислоты, этиловый спирт, маннитол, эфиры и СО₂. В дальнейшем образование молочной кислоты из сахаров и маннитола осуществляется при участии Lactobacillus plantarum. Разложение маннитола – важный этап, так как он придает продукту горький вкус. Хотя при получении кислой капусты условия сбраживания в какой-то степени контролируются, применять закваски нет необходимости, так как никаких преимуществ они не дают.

Пикули делают из миниатюрных засоленных огурцов. Конечный продукт получают путем полного или частичного сбраживания, либо без такой обработки. При брожении важную роль опять-таки играют молочнокислые бактерии, осуществляющие ферментацию сахаров. Соли обычно добавляют немного, и рассол с самого начала подкисляют уксусной кислотой. Если к нему добавляют укроп и другие пряности, то получают укропные пикули.

Оливки перерабатывают путем засолки и обработки щелоком. Когда консервируют зеленые плоды, молочнокислое брожение осуществляется Leuconostoc mesenteroides, а затем Lactobacillus plantarum и продолжается от шести до десяти месяцев. Спелые оликви либо не сбраживают вовсе, либо сбраживают недолго. И в том, и в другом случае большое значение имеет обработка щелоком, так как при этом удаляется олеуропеин (гликозид, имеющий горький вкус).

Кофе и какао. Микроорганизмы играют важную роль и на определенных стадиях выработки некоторых других продуктов, особенно кофе и какао. При замачивании плодов на них развиваются молочнокислые бактерии и дрожжи, что способствует отделению кожуры от зерен; влияние микробов на качество конечного продукта незначительно. При производстве растворимого кофе применяют ферментные препараты микробного происхождения целлюлолитического действия.

9.5. Продукты из сои

Соя принадлежит к числу главных пищевых культур в странах Азии, особенно в Китае и Японии. В восточной кухне она служит главным поставщиком белка и масла. На основе соевых бобов на Востоке вырабатывают множество традиционных пищевых продуктов (смотри п. 9.6.).

Соевый соус готовят на основе кашицы из набухших и отваренных бобов сои. В нее вносят закваску, содержащую различные микроорганизмы, главным образом, Aspergillus orizae (оризе). В ходе выдержки в течение 3-5 сут при температуре 25-30 °С гриб активно разрастается на поверхности. Затем в смесь добавляют соль (до 20 %) и оставляют ее созревать на 0,5-2 года при низкой температуре. В настоящее время применяют чистые культуры Aspergillus orizae, поэтому срок выдержки сокращается до одного-трех месяцев. Кроме плесневого гриба для получения соевого соуса применяют бактерии Pediococcus soyae, дрожжи Saccharomyces rouxii и некоторых видов дрожжей рода Torulopsis. Их специально добавляют в соевую смесь в виде исходных чистых культур или они размножаются из уже имеющихся в смеси клеток. В результате брожения смесь насыщается молочной и другими кислотами и этанолом. По окончании процесса жидкость сливают с соевой массы или отделяют под прессом и получают соевый соус. Остающийся при этом шрот скармливают домашним животным.

Помимо ускорения процесса путем использования чистых культур разработаны и сугубо химические способы получения соевых гидролизатов. Так готовят несброженный соевый соус.

Соевые бобы могут стать тем сырьем, из которого на основе традиций восточной кухни можно будет получать новые продукты способом ферментации. В этих случаях перерабатываются целые бобы, однако с помощью биотехнологии получены новые продукты из белков сои. Их вырабатывают путем контролируемого гидролиза белков сои ферментами микроорганизмов. Например, растворимый гидролизат белков сои в качестве заменителя мяса лучше, чем блюда из соевых бобов. В странах, где население получает с пищей недостаточно белка, им обогащают безалкогольные напитки.

9.6. Микромицеты в производстве продуктов

растительного происхождения

Мицелий микроскопических грибов уже давно используется в питании человека. В пище жителей Юго-Восточной Азии, стран Востока в рационе доминируют крахмал, другие углеводы и не хватает белка. Для обогащения крахмалосодержащих продуктов белками и придания им вкуса мяса в этих странах с древних времен на растительных продуктах выращивают специально подобранные и естественным путем селекционированные виды плесневых грибов. На основе соевых бобов на Востоке вырабатывают множество традиционных пищевых продуктов, их особый вкус определяется деятельностью микроорганизмов. Это, главным образом, грибы, в частности представители рода Aspergillus.

Характерным элементом восточной кухни является продукт под общим названием темпе (или темпех). В Индонезии темпе представляет собой плотную лепешку, изготовленную из соевых бобов, арахиса или кокосовых орехов. Арахисовые или соевые лепешки употребляют в пищу обросшими плесневыми грибами рода Rhizopus. Арахисовое темпе содержит до 50 % белковых веществ и по вкусу напоминает мясные изделия.

Производство темпе занимает 2-3 дня. Сначала соевые бобы на 12 ч погружают в воду и лущат. Затем их кипятят в течение получаса, чтобы разрушить ингибиторы трипсина (протеолитического фермента) желудочного сока и гормона роста (эти два ингибитора делают сырые соевые бобы несъедобными для человека). После этого бобы несколько раз промывают и высушивают. Затем производят посев спорами плесневого гриба Rhizopus oligosporus. Традиционно посев производят остатками от предыдущей порции темпе. Брожение продолжается 36-38 ч при температуре 31 ºС. В процессе брожения в продукте возрастает содержание белка и свободных аминокислот, рН возрастает с 5,0 до 7,6. Продукт естественным образом обогащается витаминами: рибофлавином (В₂), цианкобаламином (В₁₂), никотиновой кислотой (РР). В итоге получается светло-коричневая лепешка, состоящая из бобового пюре и мицелия микроскопического гриба. Данный продукт, в отличие от исходного сырья (соевых бобов), является высокопитательным и легкоусваиваемым. Темпе употребляют в пищу непосредственно после изготовления или после обжарки в кокосовом масле.

Японская кухня славится продуктом под названием нате или мисо. Его получают из обросших плесневым грибом Aspergillus orizae соевых бобов. Продукт имеет характерный острый вкус. В Китае аналогичным способом изготовляют сырообразный деликатес суфу (красный творог), используя для этого соевые бобы и некоторые виды плесневых грибов рода Mucor. Еще один китайский продукт – ангкак, при приготовлении которого рис засевается плесневым грибом Monascus purpureus с целью улучшения вкуса продукта, а также для того, чтобы придать ему красный цвет.

9.7. Продукты гидролиза крахмала

Способы производства кукурузного, пшеничного и картофельного крахмала были неоднократно и подробно описаны. Гидролиз этих разновидностей крахмала в промышленном масштабе осуществляется разными способами: только кислотой, кислотой и ферментами, и только ферментами.

В середине 60-х годов на смену кислотному и кислотно-ферментативному процессам пришел ферментативный способ переработки крахмала, основанный на последовательном применении a-амилазы Bacillus subtilis (амлосубтилин) и амилоглюкозидазы Aspergillus orizae (амилоризин) или A. niger (амилосубтилин). Главное его преимущество связано с увеличением скорости процесса, уменьшением уровня загрязнения продуктами реверсии, получением продукта с высоким декстрозным эквивалентом (ДЭ). Величина ДЭ гидролизата (в используемой шкале глюкоза - декстроза - соответствует 100 ед.) отражает глубину гидролиза крахмала, для которого ДЭ считается равным нулю.

Следующим важным шагом было внедрение в производство термостабильных a-амилаз, главным образом из B. licheniformis, позволяющих после обработки аминоглюкозидазой получать продукцию с ДЭ, близким к 100.

Высокотемпературное ожижение крахмала сегодня стало обычным промышленным процессом, но следующий этап, осахаривание, до сих пор осуществляется при участии «обычной» глюкоамилазы A. niger путем одноразовой обработки.

9.8. Перспективы развития пищевой биотехнологии

Пищевая биотехнология является перспективной отраслью биотехнологии. Если в биотехнологии вообще развиваются такие направления, как создание новых методов тестирования загрязнения окружающей среды; очистка окружающей среды (воды, почвы и т.д.) от загрязнителей с помощью микроорганизмов; получение новых медицинских препаратов (вакцин, антибиотиков, ферментов и др.); производство химических веществ и соединений, используемых в практической деятельности человека (в составе синтетических моющих средств и других продуктов); получение новых штаммов - продуцентов веществ и соединений, полезных для человека, и многие другие, то для пищевой биотехнологии перспективны следующие направления развития.

ü Создание новых штаммов микроорганизмов, используемых в качестве заквасок в молочной промышленности, в виноделии, пивоварении.

ü Разработка новых штаммов - продуцентов веществ и соединений, применяемых в пищевой промышленности (органических кислот, пищевых добавок, компонентов биологически активных добавок и др.).

ü Получение с помощью микроорганизмов ферментов для разных отраслей пищевой промышленности – молочной (сыры), пивоваренной, безалкогольной, мясной (сыровяленые и сырокопченые колбасы, мясные изделия), пищеконцентратов и т.д.

ü Использование отходов пищевой промышленности (молочной, сахарной и др.), а также других отраслей промышленности (химической, целлюлозно-бумажной) в качестве основных компонентов питательных сред для культивирования микроорганизмов.

Таким образом, развитие пищевой биотехнологии определяется не только совершенствованием, повышением эффективности традиционных биотехнологических процессов, но и разработкой совершенно новых процессов производства пищевых продуктов.

В связи с возможной нехваткой продовольствия в отдаленном будущем перспективно получение белковой биомассы с помощью микроорганизмов-продуцентов (дрожжей, микроскопических грибов, бактерий). Преимущества данного направления: большая скорость роста микроорганизмов и синтеза целевого продукта; использование небольших (по сравнению с засевными) площадей; возможности создания новых высокопродуктивных штаммов с помощью селекции, мутаций, генной инженерии; возможность получать белковые препараты разной степени очистки.

С помощью более умелого использования микроорганизмов в пищевой промышленности, усовершенствования технологических процессов, в частности внедрения новых методов в технологии брожения, можно повысить выход и качество выпускаемой продукции и расширить ассортимент продовольственных товаров.

Вопросы для самопроверки

1. Какие виды микроорганизмов используются в производстве алкогольных напитков ?

2. Расскажите о биотехнологических процессах и перспективах развития пивоварения.

3. Какие требования предъявляются к микроорганизмам, используемым при получении спиртопродуктов ?

4. Перечислите основное сырье и стадии процесса производства этанола.

5. Биотехнологические процессы в хлебопечении.

6. На каких стадиях производства фруктовых соков применяют ферментные препараты ?

7. Какие биотхенологические процессы используются для получения консервированных плодов и овощей ?

8. Расскажите о преимуществах ферментативного способа переработки крахмала.

9. Какие продукты готовят из сои ?

10. Биотехнологические процессы в получении соевого соуса.

11. Каким образом микроскопические грибы используются в питании?

12. Перечислите перспективные направления пищевой биотехнологии.