Микробы в пищевой промышленности

Углерод имеет огромное значение для жизни человека, животных и растений. Простейшее соединение углерода – углекислый газ – с помощью световой энергии усваивается зелёными растениями и превращается в высокопитательные для человека и животных сложные углеводы: сахара, крахмал, клетчатку. В организме эти соединения, являясь важнейшим источником питания и дыхания, разрушаются, причём в качестве конечного продукта распада образуется углекислота, которая снова утилизируется растениями. Этим обеспечивается постоянный круговорот углерода в природе.

Превращение углеродистых соединений происходит не только в организме человека и животных, но и в огромных масштабах совершается микробами. В предыдущей главе мы уже говорили о распаде клетчатки и пектиновых веществ. В этой главе мы рассмотрим превращение других углеродистых соединений, главным образом сахаров. Эти соединения имеют особую питательную ценность и являются составной частью ряда высокополезных пищевых продуктов.

Используя разнообразные превращения сахара, человек с незапамятных времён приготовлял различные продукты. Вино, уксус, хлеб, кисломолочные продукты входили в рацион древнейших народов. Но до развития научной микробиологии не было известно, что все эти продукты получаются в результате деятельности микробов, превращающих сахар в спирт или молочную кислоту, а спирт – в уксус.

Наблюдая за процессом брожения виноградного сока, древние виноделы видели, что по мере превращения сока в вино происходит его просветление, а на дне накапливается осадок. В средние века некоторые учёные считали, что этот осадок является отбросами, экскрементами вина, образующимися при самоочищении «души» вина. Но было замечено, что если маленькую порцию осадка перенести в свежий виноградный сок, то сок очень быстро начинает бродить, теряя при этом сладкий вкус, и накапливает опьяняющее вещество – спирт. Еще Левенгук в 1680 г. разглядел в этом осадке большие (по сравнению с бактериями) округлые клетки. Но только Пастер окончательно доказал, что превращение сахара виноградного сока в спирт осуществляется одноклеточными грибками‑дрожжами.

Каким же образом дрожжевая клетка превращает сахар в спирт?

Бактерии, актиномицеты и грибки, в том числе и дрожжи, обладают способностью продуцировать особые вещества, растворённые в клеточном соке и называемые ферментами, или энзимами. Эти вещества обладают свойствами химических катализаторов, т. е. они ускоряют, не входя в состав образующихся продуктов, химические реакции. Именно благодаря наличию в клетке ферментов микробы и производят самую разнообразную работу по превращению различных веществ в природе. Ферменты отличаются огромной активностью и специфичностью своего действия: достаточно весьма малых количеств фермента, чтобы превращение вещества пошло в строго определённом направлении. Поразительна специфичность энзима: из одного и того же вещества, например, сахара, в зависимости от воздействия на него того или другого энзима получаются самые различные соединения. Микробы весьма богаты самыми разнообразными энзимами.

Все превращения азотистых и углеродсодержащих веществ, о которых мы говорили в предыдущей главе, осуществляются при помощи различных энзимов. Существуют энзимы, расщепляющие белки, клетчатку, энзимы, окисляющие различные соединения, и т. д. Точно так же и в дрожжевых клетках имеется бродильный энзим, так называемая зимаза, осуществляющий спиртовое брожение сахара, т. е. распад его на винный спирт и углекислоту. Энзим может быть выделен из клетки в чистом виде. Впервые это было осуществлено русским учёным‑женщиной М. М. Манассеиной в 1871 г. Открытие это неправильно приписывается зарубежному учёному Эд. Бухнеру (1896 г.). После растирания с песком Манассеиной удалось получить из дрожжевых клеток зимазу, которая воспроизводила спиртовое брожение вне клетки. Но не следует думать (как это себе представляют многие зарубежные учёные), что микробная клетка является лишь мешком, наполненным энзимами. Работа энзимов в клетке тесно связана со всей клеточной организацией, поэтому в живой клетке все химические реакции идут с поразительной согласованностью и направленностью. В живой клетке энзимы не только разлагают вещества, но и созидают новые. Каждый энзим одновременно является и разрушителем и строителем. А внеклеточное брожение, по образному выражению академика Костычева, можно сравнить с работой разрушенного химического завода, где исчезает стройный порядок последовательности хода процесса.

Поэтому‑то, хотя биохимики и научились теперь выделять из клеток отдельные энзимы и даже очищать некоторые из них, живые клетки микробов всё же являются пока лучшими химическими реагентами при производстве некоторых веществ, в том числе и пищевых продуктов.

Роль микробов в изготовлении пищевых продуктов в основном сводится к двум типам брожений сахаристых веществ – к спиртовому брожению и к молочнокислому брожению.

Спиртовое брожение, преимущественно осуществляемое дрожжами, применяется в производстве вина, пива, спирта и в хлебопечении и заключается в анаэробном разложении сахара на спирт и углекислоту.

Изготовление вина известно с глубокой древности. На египетских пирамидах имеются изображения последовательных стадий виноделия. Теперь вино изготовляется по следующей схеме. Отжатый виноградный сок, оставленный при температуре 20–30°, бродит, так как в нём имеется большое количество дрожжевых клеток, попавших с поверхности винограда. При брожении выделяются пузырьки газа углекислоты. Обычно первый этап наиболее бурного брожения заканчивается через три дня, после чего молодое вино почти доверху наливается в бочки и дображивает в подвалах при более низких температурах (5–10°). В процессе дображивания вино частично осветляется вследствие оседания дрожжей, винной кислоты, дубильных и пектиновых веществ. При выдерживании вина в подвалах оно приобретает характерный для каждого сорта букет, т. е. аромат и вкус, связанный с накоплением ароматических веществ. Букет вина зависит и от сорта винограда и от тех химических процессов, которые медленно протекают при его хранении в подвале. Поэтому только более или менее длительное хранение вина в винодельческих подвалах сообщает ему все те свойства, которые характеризуют зрелое, выдержанное вино.

Вина делятся на красные и белые. Красные вина готовятся из виноградного сока, не отделённого от остатков раздавленных ягод. В клетках кожицы ягод находится тёмное красящее вещество, которое и придаёт красный оттенок зрелому вину. Кроме того, вина различают по содержанию в них сахара и спирта. Сухие, или столовые, вина получаются из малосахаристых сортов винограда. В процессе брожения таких вин сахар виноградного сока полностью перебраживается в спирт, количество которого достигает 9–10 процентов. Если применяются высокосахаристые сорта винограда, например, мускатный сорт, то часть сахара остаётся несброженной, и тогда получаются сладкие, или дессертные, вина. Вообще нужно иметь в виду, что дрожжевые грибки не могут дать более 14–15 процентов спирта, так как большая его концентрация уже действует губительно на дрожжевую клетку. Поэтому, если хотят получить вино с большим содержанием спирта (16–18°), то его добавочно спиртуют. Крепкие вина – портвейн, мадера и часть дессертных вин – это спиртованные вина.

Вина, изготовляемые путём самосброда, т. е. на случайно попавших с поверхности ягод дрожжевых грибках, нередко получаются низкого качества. Иногда брожение не доходит до конца, вино легко подвергается болезням, в нём накапливаются некоторые нежелательные продукты. Зависит это от того, что в виноградный сок вместе с винными дрожжами попадают и другие, вредные для вина микробы. Поэтому теперь в хорошо организованных винодельческих совхозах и колхозах применяются в качестве закваски чистые культуры дрожжей, выведенных в лабораториях и отличающихся способностью быстро сбраживать виноградный сок, давать легко оседающий осадок и придавать вину хороший вкус и аромат.

Вино можно изготовлять не только из винограда, но и из различных плодов и ягод, которые также содержат большие количества виноградного сахара – глюкозы. При производстве плодово‑ягодных вин применяются специальные расы винных дрожжей, хорошо приспособленные к работе в этих соках, отличающихся большей кислотностью и меньшей сахаристостью. Многие плодово‑ягодные вина обладают высокими вкусовыми качествами. Особенным успехом пользуется вино из малины «Мускат севера» и слабое яблочное вино, называемое сидром.

Близким к виноделию является процесс пивоварения. Производство пива также основано на деятельности дрожжей, перебраживающих сахар солода в спирт. Пивные дрожжи несколько отличаются от винных дрожжей и после брожения дают не более 4–5 процентов спирта.

Не обладая ферментом, разлагающим крахмал, дрожжи не могут непосредственно вырабатывать спирт из зёрен ячменя и пшеницы, употребляемых в качестве сырья при производстве пива; зёрна должны быть сначала превращены в солод, что достигается путём их проращивания. При проращивании ферменты, содержащиеся в зерне, осахаривают крахмал и тем самым делают его доступным для дрожжевых грибков.

Из солода приготовляют пивное сусло, которое и сбраживается дрожжами. Качество и вкус пива зависят не только от сбраживаемого сахара, но и от азотистых продуктов распада белков зерна, характера брожения и количества добавляемого хмеля, придающего пиву специфический горький вкус.

Научной разработкой практических вопросов виноделия и пивоварения мы обязаны Л. Пастеру. Многолетние работы учёного по этому вопросу позволили рационально поставить производство вина и пива, научили нас бороться с порчей и болезнями этих продуктов. Пастер доказал, что в большинстве случаев болезни вина и пива вызываются вредными микроорганизмами, и в целях предохранения бутылочного вина от порчи предложил прогревать его при 50–60°. При таком прогревании качества вина не изменяются, а бактерии‑вредители погибают. Способ этот, получивший название пастеризации, широко применяется и сейчас для длительного сохранения вина, молока и некоторых других продуктов.

Производство спирта – винокурение, целью которого является получение возможно более чистого винного спирта, основано на сбраживании дрожжами осахаренных зёрен злаков, картофеля, сахарной патоки. Можно получать спирт даже из древесины, проваривая её с бисульфитом. В получающемся бисульфитном щёлоке содержится сахар, который и сбраживается дрожжами.

Существуют микробы, способные разлагать не только сахар, но и крахмал с образованием винного спирта. Это плесневый грибок – яванский мукор. Он сначала осахаривает крахмал, а потом сбраживает его, причём получается до 5 процентов спирта. Таким образом, слабоалкогольный напиток может быть получен и из обыкновенного крахмала. Для получения рисовой водки (сакэ) японцы пользуются смесью плесени, сахарифицирующей крахмал рисовых зёрен, с дрожжами, которые вызывают спиртовое брожение.

Нередко производство спирта объединяется с производством хлебопекарных дрожжей, так как в винокурении и хлебопечении применяется один и тот же вид дрожжей. Хлебопекарные дрожжи, размножаясь в тесте и вызывая спиртовое брожение осахаренного крахмала, выделяют углекислый газ, который и заставляет подыматься тесто. При выпечке хлеба углекислый газ улетучивается и хлеб делается ноздреватым.

Для производства хлебопекарных дрожжей выгодно накопить наибольшую массу, т. е. добиться мощного размножения дрожжей. Это достигается путём пропускания струи воздуха через чан, в котором размножаются дрожжи. Если в жидкости находится много кислорода, то дрожжи размножаются очень быстро, правда, при этом они не образуют спирта и полностью окисляют сахар до углекислоты и воды. После окончания процесса размножения дрожжевая масса осаждается, промывается, прессуется и в таком виде используется.

Белки дрожжей являются сами по себе ценным питательным материалом. Кроме того, в дрожжах накапливается большое количество витаминов. Поэтому дрожжи являются хорошим лечебным средством при некоторых заболеваниях, например фурункулёзе. Некоторые дрожжи, так называемые жировые, кроме того, энергично накапливают жиры.

Поскольку дрожжи могут размножаться за счёт переработки таких малоценных и непитательных веществ, как производные из древесины, быстро накапливая при этом большое количество питательного белка, то они уже давно используются в качестве корма для скота. Используются дрожжи и в чистом виде (кормовые дрожжи), и в смеси с другими кормами сельскохозяйственных животных (сдабривание кормов дрожжами называется дрожжеванием кормов).

Каждому известно, что если оставить при комнатной температуре стакан вина или пива, то уже через несколько дней жидкость скисает. При этом количество спирта уменьшается и накопляется уксус. На поверхности жидкости образуется плёнка. Рассматривая кусочек этой плёнки в капельке воды под микроскопом, мы увидим, что она состоит из небольших палочковидных бактерий (рис. 38). Это уксуснокислые бактерии, окисляющие спирт до уксусной кислоты и использующие выделяющуюся в процессе окисления свободную энергию. Превращение вина в уксус известно еще с глубокой древности. Упоминание об этом процессе можно найти у древнего греческого историка Геродота. Теперь же для промышленного производства уксуса применяются культуры уксуснокислых бактерий. В качестве сырья применяются молодое вино, пиво или водные экстракты из чёрных сухарей, яблок, ягод, обогащённые спиртом.

Рис. 38. Уксуснокислые бактерии

Уксус является предметом широкого потребления в качестве приправы к пище и как консервирующее средство. Для большинства бактерий, в том числе и гнилостных, уксусная кислота, содержащаяся в уксусе, является ядом. Поэтому уксусные маринады широко применяются для предохранения различных пищевых продуктов от порчи.

Кроме уксусной кислоты, некоторые микробы производят щавелевую и лимонную кислоту. Эти кислоты также широко применяются в пищевой промышленности, и их изготовление в заводских условиях основано на работе микробов. Щавелевая кислота получается при окислении сахара глюкозы плесневым грибком – чёрным аспергиллом. При окислении того же сахара плесневым грибком цитромицес получается лимонная кислота. Советский учёный проф. В. С. Буткевич разработал технологию производства лимонной кислоты при помощи этого грибка.

Огромное значение в производстве пищевых продуктов имеет и молочнокислое брожение, осуществляемое особой группой молочнокислых бактерий, приспособившихся к сбраживанию молочного сахара в молочную кислоту. Молочнокислое брожение имеет широчайшее применение в молочнокислой, масляной и сыроваренной промышленности, в изготовлении силоса (высокопитательного корма для скота), в квашении овощей.

Молочная кислота применяется в различных отраслях промышленности. Без неё нельзя обойтись в кожевенном деле для удаления извести с кож. Она широко используется и в ситцепечатном и красильном деле. В медицине она является средством прижигания и входит в состав некоторых лекарств. В пищевой промышленности она используется также в производстве конфет и безалкогольных напитков.

Молочнокислые бактерии весьма распространены в природе. Они находятся на поверхности сосков вымени и в шерсти коров, и в воздухе, и в сене, поэтому уже и в свежевыдоенном молоке всегда имеется много молочнокислых бактерий. Молоко вообще является особенно благоприятной средой для развития не только молочнокислых, но и многих других бактерий. Там всегда можно найти гнилостные бактерии, кишечные палочки, плесени, дрожжи.

Если в молоко попадут болезнетворные бактерии, палочки туберкулёза, брюшного тифа, холеры, бруцеллёза, то они там прекрасно развиваются. Поэтому некипячёное молоко может служить путём передачи заразы. Но при хранении молока в тепле при температурах выше 15° в нём обычно раньше других размножаются молочнокислые бактерии. Выделяя молочную кислоту, которая является ядом для гнилостных и многих других бактерий, они тем самым подавляют развитие вредных микробов. В результате превращения молочного сахара в молочную кислоту из молока выпадает в виде сгустка его белковая часть – казеин. Молоко свёртывается, превращается в простоквашу. Помимо истинных молочнокислых бактерий, многие другие микробы, например, кишечная палочка, также могут разлагать сахар до кислоты. Поэтому молоко свёртывается после размножения в нём кишечной палочки. Но при свёртывании молока кишечной палочкой сахар разлагается на кислоту и углекислый газ, который, выделяясь на поверхность, делает сгусток ноздреватым. Молочнокислые же бактерии целиком превращают молочный сахар в молочную кислоту без выделения газа. Поэтому хорошая простокваша, получившаяся под воздействием истинных молочнокислых бактерий, отличается гладкой поверхностью сгустка. Для получения хорошей простокваши обычно пользуются специальными заквасками – чистыми культурами молочнокислых бактерий. Простокваша, действительно, является весьма ценным питательным продуктом и часто применяется как диетическое блюдо при некоторых заболеваниях. Еще более ценным лечебным продуктом является ацидофилин. Это та же простокваша, получившаяся после молочнокислого брожения на чистой культуре так называемой ацидофильной молочнокислой палочки. Ацидофильные палочки в природных условиях живут не в молоке, а в кишечнике детей и животных, откуда они были выделены в чистых культурах, употребляемых для приготовления закваски. Ацидофилин, или ацидофильное молоко, применяется для лечения и предупреждения некоторых кишечных заболеваний человека и животных. В последние годы выяснилось, что его применение особенно успешно при лечении кишечных заболеваний молодых животных: телят, поросят, цыплят.

Опыты, проведённые еще в 1939 г. в колхозах Московской области, показали, что вскармливание молодняка ацидофильным молоком снизило заболеваемость в 2–2,5 раза и увеличило вес животных.

Большой известностью пользуются также такие кисломолочные продукты, как кефир и кумыс. Но в изготовлении этих продуктов, кроме молочнокислых бактерий, принимают участие также и дрожжевые грибки. Кефир и кумыс – это продукты молочнокислого и спиртового брожения.

Кефир имеет древнее происхождение. Родиной его является Северный Кавказ. Это очень приятный на вкус, освежающий диетический напиток, содержащий около 0,7 процента молочной кислоты и столько же спирта. Приготовляется он путём заквашивания коровьего молока особыми кефирными зёрнами, которые местные горцы раньше называли «зёрна пророка» или «пшено пророка» и считали, что зёрна эти посланы им богом в подарок.

Кефирные зёрна были впервые описаны известным кавказским врачом Джогиным в 1866 г. Они состоят из цепочек молочнокислых бактерий, в складках которых залегают группы дрожжевых клеток. В зависимости от длительности брожения молока различают слабый – молодой однодневный кефир, средний – двухдневный и крепкий – трёхдневный.

Кумыс приготовляется из кобыльего молока. Он также обладает целебными свойствами и применяется при лечении туберкулёза и общего истощения. В кумысе содержится до 2 процентов спирта и 1 процент молочной кислоты. Кумыс также известен с глубокой древности, и, судя по описаниям Геродота, способ его изготовления и целебные свойства были известны еще древним скифам.

Приготовление таких кислоспиртовых напитков, как мацони, айран, крымская буза, хлебный квас, также основано на совместной деятельности дрожжей и молочнокислых бактерий. Этот тесный симбиоз между двумя организмами, конечно, не случаен. Объясняется он следующим: дрожжи частично питаются молочной кислотой, выделяемой бактериями. Тем самым они снижают её концентрацию, что благоприятно влияет на жизнедеятельность молочнокислых бактерий, которые не переносят высокого содержания кислоты. Кроме того, дрожжи обогащают питательную жидкость витаминами, что также благоприятствует развитию бактерий.

В домашнем быту мы встречаемся еще с одним случаем использования сожительства – симбиоза двух микробов для приготовления приятного слабокислого напитка – чайного кваса. Чайный квас получается после заражения сладкого чая культурой так называемого чайного или японского гриба, разрастающегося в виде толстой, морщинистой, слизистой плёнки на поверхности жидкости. Этот псевдогрибок состоит из уксуснокислых бактерий и дрожжеподобных организмов. Дрожжи вырабатывают из сахара спирт, а уксуснокислые бактерии окисляют часть его в уксус. В результате получается очень приятный на вкус, освежающий слабоспиртовой и кисловатый напиток.

Молочнокислые бактерии участвуют и в изготовлении сливочного масла и сыров. При изготовлении масла они способствуют отделению жира от молока и, вырабатывая молочную кислоту, предохраняют масло от дальнейшей порчи. Специфический аромат хорошего масла также зависит от деятельности определённой группы микробов, выделяющих ароматические продукты. Эти микробы были названы академиком В. Л. Омелянским душистыми микробами. Душистые микробы играют большую роль в образовании соответствующего букета вина, специфического запаха сыра, молока. Применяя соответствующую культуру микроба, можно даже придать винный букет простому пивному суслу (ячменное вино). Академик В. Л. Омелянский получал чистые разводки микробов, обладавших запахом дыни, земляники, ананаса.

Изготовление различных сыров основано на деятельности бактерий. В отличие от кисломолочных продуктов процесс производства сыров занимает часто очень длительное время (иногда до двух‑четырёх лет), но зато получаемый продукт может долго сохраняться без порчи. Поэтому приготовление сыров является наилучшим способом сохранения наиболее важной для питания белковой части молока. Производство простейших сыров типа брынзы известно очень давно. Гомер в «Одиссее» рассказывает, что циклоп Полифем, прибавляя к молоку сок кислых трав, получал из него сыр.

Как же получается брынза? Под влиянием молочной кислоты, образуемой молочно‑кислыми бактериями, и сычуга, добавляемого к молоку, в нём образуется сгусток белковой части молока – казеина, который после уплотнения превращается в творог. Посоленный творог прессуется и получается сыр – брынза.

Более сложно готовятся сыры голландские, швейцарские и другие. После прессования и посолки сырная масса переносится в подвалы с температурой около 13° для дальнейшего, часто длительного созревания. Здесь молочнокислые бактерии продолжают свою работу по переработке остатков молочного сахара в кислоту. После этого на помощь приходит другая группа бактерий – так называемые пропионовокислые бактерии, которые особым ферментом превращают молочную кислоту в пропионовую и уксусную кислоты и углекислый газ. Этими кислотами и определяется острый вкус выдержанного сыра. Углекислый газ, постепенно выделяясь через сырную массу, образует в ней пустоты – глазки.

При созревании сыров известную роль играют и гнилостные микробы, которые разлагают белки молока, а выделяющиеся продукты разложения придают сыру соответствующий запах. В созревании сыра рокфор основную роль играют плесени, которые можно видеть на ломте сыра.

Молочнокислые бактерии широко применяются и при квашении овощей и фруктов – капусты, помидоров, огурцов, мочёных яблок. На свежих овощах находятся миллионы различных бактерий, преимущественно гнилостных, всегда имеются и молочнокислые бактерии. Поэтому при квашении важно создать такие условия, чтобы сахар овощей использовался именно молочнокислыми бактериями. Гнилостные микробы наиболее активно развивают свою деятельность при широком доступе кислорода воздуха, молочнокислые, являясь анаэробами, наоборот, производят молочнокислое брожение при отсутствии кислорода. Поэтому квашение овощей производят в непроницаемых для воздуха сосудах – бочках, кадках, ушатах, банках. Овощи туго уплотняются для удаления воздуха, и сосуд покрывается кружком с грузом. Таким образом создаются бескислородные условия, в которых молочнокислые бактерии развиваются лучше, чем гнилостные. Начинается молочнокислое брожение. Выделяющаяся молочная кислота предохраняет овощи от развития гнилостных микробов. Поэтому хорошо сквашенные овощи могут длительное время храниться, не портясь и не загнивая.

В колхозах и совхозах широко применяется еще один вид молочнокислого брожения – это так называемое силосование кормов для скота. В Советском Союзе ежегодно изготовляются миллионы тонн силоса. Силос является прекрасным, сочным, богатым витаминами и питательными веществами кормом. Ценность силоса состоит также в том, что для его изготовления применяется не только трава, но и такие отходы овощеводства, как картофельная ботва, стебли подсолнечника, солома и т. д., которые в свежем виде неохотно поедаются скотом. Обрезки капусты, ботва свёклы, болотные травы также идут на изготовление силоса.

Для силосования кормов необходимо плотно уложить в ямы или в силосные башни влажные измельчённые растения. Так же, как и при квашении, здесь важно, чтобы в силосе шло не гниение, а молочнокислое брожение. Если растительная масса уложена правильно, хорошо уплотнена и доступ воздуха устранён, то молочнокислые бактерии размножаются, вытесняют гнилостных микробов, а образующаяся молочная кислота является консервирующим средством, позволяющим сохранять силос в течение всей зимы.

Всесоюзный институт сельскохозяйственной микробиологии выпускает теперь специальную закваску из культур молочнокислых бактерий, приспособленных к силосованию кормов. Применение этой закваски ускоряет созревание силоса до 10 дней вместо 20–25. Улучшаются и вкусовые качества силоса – он охотно поедается даже лошадьми, которые очень разборчивы в пище. Главное же – гораздо быстрее накапливается необходимая для консервирования концентрация молочной кислоты.