Пищевая биотехнология

1 История развития биотехнологии микроорганизмов. Классические исследования Пастера, положившие начало промышленной микробиологии Пищевая биотехнология является современным и перспективным направлением в перерабатывающей промышленности (мясная, молочная, рыбная и др.); изучает - биотехнологический потенциал сырья животного происхождения и пищевых добавок, в качестве которых используются новые ферментные препараты, продукты микробиального синтеза, новые виды биологически активных веществ и многокомпонентные добавки; разрабатывает новые, более рентабельные и перспективные конкретные технологические решения, что позволяет создать высококачественную продукцию перерабатывающей промышленности. Биотехнология — это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. Название ее происходит от греческих слов bios — жизнь, teken — искусство, logos — слово, учение, наука. К числу биологических процессов относят те из них, в которых применяют биологические объекты различной природы (микробной, растительной или животной), например, производство ряда продуктов медицинского, пищевого и другого назначения — антибиотики, вакцины, ферменты, кормовой и пищевой белки, полисахариды, гормоны, гликозиды, аминокислоты, алкалоиды, биогаз, удобрения и пр. В соответствии с определением Европейской Федерации Биотехнологов биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженно прикладное значение. Биотехнология непосредственно связана с общей биологией, микробиологией, ботаникой, зоологией, анатомией и физиологией, биологической, органической, физической и коллоидной химией, иммунологией, биоинженерией, электроникой, технологией лекарств, генетикой и другими научными дисциплинами. Человек, рождающийся для познания мира (в том числе — и самого себя), давным-давно освоил на практике различные процессы биотехнологии, не зная по существу, что они относились к такому разряду. В самом деле, с библейских времен известно виноделие, тысячелетия насчитывает хлебопечение и т. д. Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет. По свидетельству легенд и народных сказаний древности, .люди с незапамятных времен готовили из сока винограда вино, делали сыр из скисшего молока, поражали врагов и диких зверей стрелами, наконечники которых были пропитаны смертельным ядом. Археологические раскопки в Двуречье помогли найти сохранившиеся остатки пекарен и пивоварен, которые были построены соответственно за 6000 и 2000 лет до н.э. Человек наблюдал многие удивительные явления, происходящие в живых организмах, таких как: свертывание крови, дозревание и разложение мясных, рыбных и растительных пролетов. Почему все это происходило, он долгое время не мог объяснить. Наши предки не имели представления о процессах, лежащих в основе знакомых им технологий домашнего производства продуктов питания и их хранения. Они действовали интуитивно, пользуясь микроорганизмами, не догадываясь об их существовании. Но в течение тысячелетий успешно применяли метод микробиологической ферментации для приготовления и сохранения пиши. И лишь в начале 19 века, были обнаружены вещества, вызывающие подобные превращения. Они получили названия ферментов. Люди научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы. Становлению и развитию биотехнологии как науки предшествовали открытия в области микробиологии таких ученых как: Левенгук, Дженнер, Пастер, Кох и др. Первым из людей, заглянувших в таинственный мир микроорганизмов, стал голландский естествоиспытатель Антоний ван Левенгук (1632 г. - 1723 г.). Он изготовил линзы, которые увеличивали в 100-300 раз. Самостоятельно шлифуя оптические стекла, он добился превосходного качества. Рассматривая с их помощью растворы и настои, он увидел причудливых "зверушек", постоянно снующих в разные стороны. Левенгук назвал их "анималькулюс", что по латыни означает "зверушка". Он первым описал и зарисовал микроорганизмы. В письме № 17 в Лондонское королевское общество он так описывает это открытие: «После всех попыток узнать, какие силы в корне действуют на язык и вызывают его раздражение, я положил приблизительно по унции корня в воду; в размягченном состоянии его лучше изучать. Кусочек корня оставался в воде около трех часов. 24 апреля 1676 г. я посмотрел на эту воду под микроскопом и с большим удивлением увидел в ней огромное количество мельчайших живых существ». В конце 19 века благодаря трудам французского ученого Луи Пастера были созданы реальные предпосылки для дальнейшего развития прикладной микробиологии, а также в значительной мере и биотехнологии. Пастер всегда стремился к тому, чтобы его работы непосредственно служили людям. Он знал, какую огромную роль играет виноделие в развитии экономики Франции. Порча вина приносила стране и виноделам большие убытки. Требовалось найти научное объяснение причинам вызывающим это явление. Будучи ценителем и любителем вина. Пастер стал изучать процесс брожения, который считался многими учеными чисто химическим явлением. Ученый сделал вывод о том. что брожение происходит только в присутствии живых организмов - дрожжей и является биологическим явлением. Порчу вина он объяснил тем. что при попадании бактерий в вино происходит вытеснение дрожжей и вино превращается в уксус. Для предотвращения порчи Пастер предложил сразу по окончании брожения подогревать вино до 60 С - 70 °С. не доводя до кипения. Вкус вина при этом сохраняется, а бактерии погибают. Этот процесс теперь называют пастеризацией. Так обрабатывают молоко, пиво, вино. Таким образом, Луи Пастер установил, что микробы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют различные их виды. Его исследования послужили основой развития в конце 19 и начале 20 веков бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола и изопропанола) и других химических веществ, где использовались разнообразные виды микроорганизмов. И сегодня многие химические соединения получают путем брожения, самым выгодным с экономической точки зрения способом. Пастер открыл возможность жизни без кислорода. Так живут, в частности, маслянокислые бактерии, делающие горьким вино, молоко, пиво. 2 Пищевая биотехнология как часть промышленной Основы пищевой биотехнологии микробиологии. В современной пищевой биотехнологии можно выделить два направления: применение веществ и соединений, полученных биотехнологическим способом (например, органических кислот, аминокислот, витаминов), и интенсификация биотехнологическия процессов в производстве пищевых продуктов. В настоящее время в пищевой промышленности широко используется продукция, полученная биотехнологическим способом. Расширяется область применения пищевых добавок, в том числе полученных с помощью микробных клеток: органических кислот, ферментных препаратов, подсластителей, ароматизаторов, загустителей и т.д. (табл. 1). На продовольственном рынке растет ассортимент функциональных пищевых продуктов. Для их производства применяют витамины, аминокислоты и другие соединения, полученные биотехнологическим способом. Таблица 1 – Использование продукции биотехнологии в пищевой промышленности Продукция Использование биотехнологии в пищевой промышленности Аминокислоты: Цистеин, метионин, лизин Повышение пищевой (биологической) ценности белоксодержащих продуктов Глутаминовая кислота Усиление аромата мясных, рыбных и других изделий (глутамат натрия) Глицин, аспартат Придание кондитерским изделиям, безалкогольным напиткам кисло-сладкого вкуса Олигопептиды: Аспартам, тауматин, Производство низкокалорийных сладких продуктов монеллин Ферменты: α-Амилаза Производство спирта, вин, пива, хлеба, кондитерских изделий и продуктов детского питания Глюкоамилаза Получение глюкозы, удаление декстринов из пива Инвертаза Пуллуланаза β-Галактозидаза Целлюлазы Пектиназа Микробная протеиназа Реннин Пепсин, папаин Фицин, трипсин, бромелаин Липазы Глюкозооксидаза, каталаза Витамины: А, В1 , В2 , В6 , В1 2 , С, D, Е, β-каротин С, Е Производство кондитерских изделий Выработка мальтазных (в сочетании с β-амилазой) или глюконовых (с глюкоамилазой) фруктовых сиропов из крахмала Освобождение молочной сыворотки от лактозы, приготовление мороженого и др. Приготовление растворимого кофе, морковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка плодов цитрусовых Осветление вин и фруктовых соков, обработка цитрусовых плодов Сыроварение, ускорение созревания теста, производство крекеров, улучшение качества мяса Свертывание молока Осветление пива Ускорение процесса маринования рыбы, отделение мяса от костей Придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшение качества взбитых яичных белков Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, фруктовых соков для их улучшения и продления сроков хранения Повышение пищевой ценности продуктов Антиоксиданты В2 , β-каротин Органические кислоты: Уксусная, лимонная, бензойная, молочная, глюконовая, яблочная Терпены и родственные соединения: Гераниол, нерол Полисахариды: Ксантаны Красители, усилители цвета Консерванты, ароматизаторы, подкислители Ароматизаторы Загустители и стабилизаторы кремов, джемов 3 Использование дрожжей, плесневых грибов и бактерий в пищевой промышленности Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих полезные для человека реакции, насчитывается несколько сотен видов. Микроорганизмы, широко используемые в производстве пищевых продуктов, относятся к четырем группам: бактерии, актиномицеты (грамположительные бактерии, не образующие спор), дрожжи и плесени. Из 500 известных видов дрожжей первыми люди научились использовать Saccharomyces cerevisiae, этот вид наиболее интенсивно культивируется, и нашел самое широкое применение. Многочисленные штаммы S. сerevisiae находят применение в пивоварении, виноделии, производстве японской рисовой водки (сакэ) и других алкогольных напитков, а также в хлебопечении. К дрожжам, сбраживающим лактозу, относится вид Kluyveromyces fragilis, который используют для получения спирта из молочной сыворотки. Saccharomyces lipolitica деградирует углеводороды и употребляется для получения микробной биомассы. Все три вида принадлежат к классу аскомицетов. Другие полезные виды относятся к классу дейтеромицетов (несовершенных грибов), так как они размножаются не половым путем, а почкованием. Phaffia rhodozyma синтезирует астаксантин – каротиноид, который придает мякоти форели и лосося, выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розовый цвет. Плесени (микроскопические грибы) вызывают многочисленные превращения в твердых средах, которые происходят перед брожением, их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ и гидролиз соевых бобов, риса и солода при получении пищевых продуктов, употребляемых в азиатских странах (мисо, темпе и др.). Плесени также продуцируют ферменты, используемые в пищевой промышленности (амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы), пищевые кислоты (лимонную, молочную, уксусную) и другие вещества. Микроскопические грибы рода Penicillium применяют в производстве сыров (например, Рокфора и Камамбера). Полезные бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, - это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту – в углекислый газ и воду. Род Bacillus относится к грамположительным бактериям, которые способны образовывать эндоспоры и имеют жгутики. B. subtilis – строгий аэроб, а B. thuringiensis может жить и в анаэробных условиях. Анаэробные, образующие споры бактерии, представлены родом Clostridium. C. acetobutylicum сбраживает сахара в ацетон, этанол, изопропанол и n–бутанол (ацетонобутаноловое брожение), другие виды могут сбраживать крахмал, пектин и различные азотсодержащие соединения. К молочнокислым бактериям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Strеptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и не чувствительны к кислороду. Гетероферментативные молочнокислые бактерии рода Leuconostoc превращают углеводы в молочную кислоту, этанол и углекислый газ; гомоферментативные молочнокислые бактерии рода Strеptococcus продуцируют только молочную кислоту, а брожение, осуществляемое представителями рода Lactobacillus, позволяет получить наряду с молочной кислотой ряд разнообразных продуктов. Биохимические возможности дрожжевых клеток Дрожжи являются одноклеточными неподвижными организмами, относящиеся к классу аскомицеты (Ascomycetes), широко распространенными в природе: они встречаются в почве, на плодах, особенно перезрелых, и листьях растений. Многие дрожжи применяют в хозяйстве и промышленности. С другой стороны, развитие дрожжей в пищевых продуктах может вызвать их порчу (вспучивание, изменение запаха и вкуса). Техническое значение дрожжей основано на их способности превращать сахар в этиловый спирт и углекислый газ. В связи с этим издавна они получили общее название сахарных грибов, или сахаромицетов. Дрожжи отличаются высоким содержанием белков и витаминов (Bi, Вз, В6, никотиновой кислоты). Форма и строение дрожжей. Форма клеток дрожжей чаще всего округлая, овально-яйцевидная или эллипсовидная. Встречаются дрожжи цилиндрические, лимонообразные и особой формы — серповидные, стреловидные, треугольные. Размеры дрожжевых клеток обычно не превышают 10— 15 мкм (рис. 1). Рисунок 1 – Форма различных дрожжевых клеток Форма и размеры дрожжей могут заметно изменяться в зависимости от условий среды, в которой они развиваются, а также от возраста клеток. Клетки дрожжей состоят из протопласта и оболочки. В протопласте дрожжей различают цитоплазматическую мембрану, цитоплазму со структурными элементами (рибосомами, митохондриями) и дифференцированное ядро, окруженное мембраной. Имеются включения запасных питательных веществ в виде капель жира, зерен гликогена и волютина (рис. 2). Некоторые дрожжи содержат пигменты. По мере роста дрожжевых клеток в них появляются вакуоли (водный раствор органических и минеральных веществ). Рисунок 2 – Схема строения дрожжевой клетки: 1 — оболочка; 2 — делящееся ядро; 3 —гликоген; 4 — цитоплазма; 5 — волютин; 6 — вакуоль;7 — митохондрии Оболочка клетки дрожжей состоит из нескольких слоев. В состав ее входят полисахариды, липиды, азотсодержащие вещества. Оболочка клетки у некоторых дрожжей может в той или иной степени ослизняться, вследствие чего клетки склеиваются друг с другом и при развитии в жидких средах образуют оседающие на дно сосуда хлопья. Такие дрожжи называют хлопьевидными в отличие от пылевидных, оболочки клеток которых не ослизняются; пылевидные дрожжи в жидкости находятся во взвешенном состоянии. Размножаются дрожжи почкованием, лишь немногие размножаются делением клетки. Процесс почкования состоит в том, что на клетке появляется бугорок (иногда их несколько), который постепенно увеличивается в размерах. Этот бугорок называют почкой. По мере роста почки между ней и производящей клеткой образуется перетяжка. Канал, соединяющий вновь формирующуюся дочернюю клетку со старой, материнской, клеткой, постепенно сужается и, наконец, молодая клетка отшнуровывается (отделяется). При благоприятных условиях этот процесс длится около двух часов. Почкованию предшествует ряд последовательно протекающих в клетке биохимических процессов; происходит деление ядра, и одно из образовавшихся ядер вместе с частью цитоплазмы и другими клеточными элементами переходит в молодую клетку. После завершения процесса почкования молодая клетка часто не отделяется от материнской, а остается на ней. Почкующиеся клетки обычно образуют не одну, а несколько почек. Вместе с этим может начаться почкование и молодых клеток. Так постепенно образуются скопления из многих соединенных между собой клеток, называемые сростками почкования. В некоторых случаях, особенно на поверхности жидких сред, где клетки дрожжей всегда бывают более вытянуты, такие сростки почкования напоминают мицелий плесневых грибов. Однако это ложный мицелий, представляющий собой тонкую пленку, которая легко разрушается при взбалтывании жидкости. Только отдельные дикие (обитающие в природных условиях) так называемые пленчатые дрожжи образуют на поверхности жидкостей более или менее толстые морщинистые пленки, прочно удерживающиеся при взбалтывании. Такие дрожжи нередко вызывают порчу вина, пива, квашеных овощей. При неблагоприятных условиях почкование дрожжей замедляется или совсем приостанавливается, а некоторые клетки переходят в состояние покоя. Покоящиеся клетки (артроспоры) отличаются толстой и плотной, большей частью двухслойной оболочкой, а также значительным содержанием запасных веществ, например жира и гликогена. Они более устойчивы, чем вегетативные клетки, к повышенной температуре и высушиванию. Попадая в благоприятные условия развития, покоящиеся клетки почкуются, как и обычные вегетативные клетки. Помимо почкования многие дрожжи размножаются также с помощью спор. Споры образуются внутри клетки и находятся в ней, как в сумке, что и позволяет относить их к сумчатым грибам (аскомицетам). Число спор в клетке разных видов дрожжей различно. Их может быть две, четыре, а иногда восемь и даже двенадцать. Споры большинства дрожжей округлые или овальные, но у некоторых видов — игловидные, шляповидные, У многих на поверхности спор имеются различные образования типа выростов, бородавок, ободков и др. Образование спор у дрожжей может происходить бесполым и половым путями. При бесполом образовании спор ядро клетки делится на столько частей, сколько образуется спор у данного вида дрожжей. Каждое новое ядро окружается цитоплазмой и покрывается оболочкой. Образованию спор половым путем предшествует слияние (копуляция) клеток. У некоторых дрожжей копулируют прорастающие споры. Споры дрожжей несколько более устойчивы к вредным воздействиям, чем вегетативные дрожжевые клетки, но менее стойки по сравнению с бактериальными спорами. Попав в благоприятные условия, споры прорастают в клетки. У многих так называемых культурных дрожжей, т. е. культивируемых человеком для производственно-хозяйственных целей, способность к спорообразованию в значительной степени ослаблена, а иногда полностью утрачена (аспорогенные расы). Такие дрожжи можно вернуть к спорообразованию только принудительным путем. Для этого молодую культуру дрожжей переводят из условий обильного питания в условия голодания. При благоприятной аэрации и температуре дрожжи образуют споры. Дрожжи, способные к спорообразованию, нередко называют истинными дрожжами, а не образующие спор (аспорогенные) — ложными дрожжами, или дрожжеподобными организмами. Классифицируют дрожжи по способам их вегетативного размножения (почкование, деление), способности к спорообразованию, а также по физиологическим признакам. Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет род сахаромицес (Saccharomyces). В этот род входят как природные виды, так и виды, полученные путем селекции. Их называют расами дрожжей. Они различаются способностью сбраживать разные сахара, интенсивностью брожения, количеством образуемого спирта, оптимальной температурой брожения, образованием спор и др. В пищевой промышленности наиболее широко используют два вида дрожжей рода Saccharomyces: Sacch. cerevisiae и Sacch. ellipsoideus, или Sacch. vini. Сахаромицес церевизиа (Sacch. cerevisiae) имеют круглую или овальную форму клетки. Их используют для получения этилового спирта, а также в пивоварении, квасоварении, хлебопечении Каждое производство использует свои специфические расы дрожжей, дающие возможность получить конечный продукт с заданными свойствами. Сахаромицес еллипсоидеус (Sacch. ellipsoideus, или Sacch. vini) имеет клетки эллиптической формы. Этот вид дрожжей используется преимущественно в виноделии. Каждая марка вина производится с использованием специфической расы дрожжей. Все виды дрожжей рода сахаромицес и некоторые природные дрожжи при спонтанном (самопроизвольном) развитии на пищевых продуктах, содержащих сахар, вызывают их порчу: брожение и прокисание. Из других родов дрожжей наибольшее значение имеют два: торулопсис (Torulopsis) и кандида (Candida), которые широко распространены в природе, не способны вызвать спиртовое брожение, но вызывают порчу пищевых продуктов, а дрожжи рода кандида имеют к тому же патогенные формы, вызывающие кандидозы слизистой оболочки полости рта, особенно у детей. Дрожжи рода торулопсис имеют клетки округлой или овальной формы. Эти дрожжи вызывают лишь слабое спиртовое брожение. Отдельные виды этих дрожжей используют при производстве кумыса и кефира. Дрожжи рода Candida имеют имеют клетки вытянутой, цилиндрической формы, иногда образуют примитивный мицелий. Есть виды, которые могут окислять сахар и этиловый спирт в органические кислоты и являются вредителями при производстве вин, пива, пекарских дрожжей. Они вызывают также порчу квашеных овощей, безалкогольных напитков и многих других пищевых продуктов. Некоторые виды дрожжей рода кандида использовались в животноводстве и птицеводстве для производства кормового белка, богатого витаминами. 2 Сущность и основные стадии технологического процесса производства дрожжей Дрожжевой завод — это биотехнологическое производство. Основная задача дрожжевого производства заключается в получении дрожжей для хлебопекарной промышленности. Содержащийся в дрожжах комплекс ферментов вызывает в тесте спиртовое брожение; выделяющийся при этом диоксид углерода поднимает и разрыхляет тесто. Дрожжевые заводы производят прессованные и сухие дрожжи. Прессованные дрожжи — это брикеты светло-серого или светло-желтого цвета с содержанием влаги от 73 до 75%, представляющие собой биомассу дрожжевых клеток, в 1 г которой содержится от 8 до 12 млрд. клеток. Если измельченные прессованные дрожжи высушить до остаточного содержания влаги 8—9%, то получатся сушеные дрожжи. Сырьем в производстве хлебопекарных дрожжей являются свекловичная меласса (отход свеклосахарного производства), минеральные соли, активаторы роста, вода. Технологический процесс дрожжевого производства состоит из нескольких стадий — подготовка питательной среды, выращивание засевных дрожжей, выращивание товарных дрожжей, выделение, прессование и упаковывание прессованных дрожжей или сушка с последующим упаковыванием сушеных дрожжей. Перед выращиванием дрожжей мелассу сначала разбавляют водой, а затем осветляют, в процессе чего она освобождается от большей части коллоидных частиц, которые могут обволакивать дрожжевые клетки и мешать их развитию, солей кальция, а также от посторонних микроорганизмов. Затем мелассу подкисляют, добавляют азот- и фосфорсодержащие соли, а также кукурузный экстракт или вытяжку из солодовых ростков, в которых содержится биотин, поскольку содержание всех этих веществ в мелассе недостаточно для активного размножения дрожжей. Для приготовления засевных (маточных) дрожжей используют чистую культуру специальных рас (штаммов) хлебопекарных дрожжей, которую вначале выращивают в лабораторных условиях, начиная с пробирки, затем в полупроизводственных условиях - в отделении чистой культуры, постепенно увеличивая ее объем. В результате получают дрожжи, называемые чистой культурой (ЧК), или маточными дрожжами А. Процесс размножения чистой культуры ведут при температуре 25—30 °С, питательную среду подкисляют до рН 4,8—5,8. Питательная среда непрерывно аэрируется по воздушно-приточному способу, так как только при доступе кислорода дрожжи используют сахара мелассы не на спиртовое брожение, а на энергичное размножение и накопление значительной биомассы физиологически активных, жизнеспособных дрожжевых клеток. Дрожжи ЧК служат засевным материалом для приготовления естественно чистой культуры (ЕЧК), или маточных дрожжей Б. Дрожжи ЕЧК используют в качестве маточных для получения товарных дрожжей. Выращивание товарных дрожжей осуществляют в дрожжерастильных аппаратах. Имеются различные технологические схемы (периодическая, полунепрерывная и непрерывная) для получения товарных прессованных дрожжей (дрожжи В). Главное направление в современной технологии — выращивание дрожжей на концентрированных средах, содержащих 5—6% сахара. Это улучшает качество дрожжей и повышает производительность дрожжерастильных аппаратов. По этому методу мелассу разбавляют водой в соотношении 1 : 12, в то время как по обычной схеме конечное разбавление мелассы составляет 1 : 30. Для засева применяют более высокую исходную концентрацию маточных дрожжей (в 3—6 раз больше обычной). Чтобы обеспечить нормальное размножение дрожжей, среду аэрируют большим количеством воздуха (100—120 м3/ч воздуха на 1 м3 среды). Дрожжи размножаются в течение 14—20 ч. После выращивания дрожжей культуральную жидкость сепарируют, получают дрожжевое молоко, содержащее 500—600 г/л дрожжей, и бражку. Дрожжевое молоко поступает на промывание холодной водой для удаления остатков бражки, после чего дрожжи вновь поступают на сепарирование. Промывание и сепарирование повторяют 2—3 раза, пока клетки дрожжей не будут окончательно освобождены от бражки. Промытые и отсепарированные дрожжи при помощи насоса подаются на фильтрпресс, где освобождаются от воды, затем в вакуум-фильтр, где они прессуются, а далее формуются в виде брусков. Их завертывают в бумагу с этикеткой завода, укладывают в ящики и направляют в холодильные камеры, где охлаждают до 4 °С. Сушеные дрожжи получают высушиванием измельченных прессованных дрожжей теплым воздухом до остаточного содержания влаги 8—9%. Благодаря низкому содержанию влаги сушеные дрожжи, в отличие от прессованных, могут долго сохраняться. Сушеные дрожжи необходимы для хлебопечения в тех районах, где производство или доставка прессованных дрожжей в силу различных причин исключена. Качество сушеных дрожжей зависит от качества исходных прессованных дрожжей, от режимов сушки и хранения. Для ускорения сушки дрожжи вначале измельчают в специальной дрожжеформовочной машине до получения короткой тонкой вермишели или гранул. Сушка в некоторой степени угнетает дрожжи. Поэтому применяются мягкие режимы сушки при 30—40 °С. Хорошие результаты дает сушка под вакуумом и в виброкипящем слое, когда дрожжевая крупка при сушке все время поддерживается током воздуха во взвешенном состоянии. После сушки продукцию охлаждают до 15— 16°С и упаковывают. Для производства прессованных хлебопекарных дрожжей используют различные расы дрожжей-сахаромицетов вида Saccharomyces cerevisiae (Л-1, ЛВ-7, ЛК-14, ЛТ-17) и гибриды 608, 616, 722, 739. По характеру брожения —это верховые дрожжи; при брожении они долго не опускаются на дно и частично поднимаются на поверхность бродящей жидкости в виде пены. Эти расы имеют крупные клетки, которые быстро размножаются в мелассной питательной среде, стойкие при хранении в прессованном и сушеном виде, обладают высокой ферментативной (мальтазной и зимазной) активностью. Рисунок 1 – Хлебопекарные дрожжи а - раса Томская; б - раса ЛБД-Х1 Мальтазная активность — это время (в мин), необходимое для выделения 10 мл СО2 при сбраживании 10—20 мл 5%-ного раствора мальтозы при 30 °С дрожжами, взятыми в количестве 2,5% к объему среды. Мальтазная активность характеризует способность дрожжей гидролизовать мальтозу муки и зависит от присутствия в дрожжах фермента мальтазы. Мальтоза — основной сахар теста она с большим трудом сбраживается дрожжами и более медленно, чем другие сахара, так как дрожжи содержат сравнительно мало мальтазы. Мальтазная активность дрожжей хорошего качества должна быть не более 100 мин. Зимазная активность — это время (в мин), необходимое для выделения 10 мл СО2 при сбраживании 10—20 мл 5%-ного раствора глюкозы при 30 °С дрожжами, взятыми в количестве 2,5% к объему среды. Зимазная активность дрожжей хорошего качества должна быть не более 60 мин. Подъемной силой называется период времени, выраженный в минутах, в течение которого тесто, замешенное на испытуемых дрожжах, поднимается до определенного уровня в формочке. 1 Субстраты, использующиеся в спиртовом производстве (зерно, картофель, сахарная свекла, меласса и др.) Технология спирта — это наука о методах и процессах переработки различных видов сырья в этиловый спирт. Мы разберем технологию получения этилового спирта из крахмалсодержащего сырья — зерна, картофеля и из сахарсодержащего сырья — свекловичной мелассы. Этиловый спирт — основной продукт — находит широкое применение. Пищевая промышленность — его главный потребитель: спирт используют при изготовлении ликерно-водочных изделий, плодово-ягодных вин, для крепления виноматериалов и купажирования виноградных вин, в производстве уксуса, пищевых ароматизаторов и парфюмерно-косметических изделий. В микробиологической и медицинской промышленности спирт необходим для осаждения ферментных препаратов из культуральной жидкости или экстракта из твердофазной культуры, для получения витаминов и других препаратов и лекарств, как дезинфицирующее средство и как вещество, предотвращающее инфицирование и порчу лечебных экстрактов (валерианы, пустырника и др.). Небольшие количества спирта расходуются в химической, машиностроительной, автомобильной и других отраслях промышленности, а также в ветеринарии и фармакопеи. Сырье, применяемое для получения спирта, должно ежегодно воспроизводиться в количествах, достаточных для промышленной переработки, иметь высокое содержание крахмала или сахара и хорошо сохраняться, что обеспечивает экономическую целесообразность производства. Этим условиям удовлетворяют клубни картофеля, зерно растений семейства мятликовых (злаков) и меласса. В соответствии с географическим положением и сложившейся структурой хозяйства в разных странах для производства спирта используют различные виды сырья. Даже в одной и той же стране в те или иные годы набор сырья зависел от изменений в потреблении, от конъюнктурных и других факторов. Картофель. Из всех видов растительного пищевого сырья картофель в наибольшей степени соответствует технологическим требованиям спиртового производства. Из картофеля с единицы посевной площади получают в 3...4 раза больше крахмала по сравнению с зерном. Картофельный крахмал быстрее разваривается, образуется подвижное сусло, в нем содержатся азотистые и фосфорные вещества в количестве, достаточном для питания дрожжей, из него получают самый высокий выход спирта. При переработке картофеля производительность завода на 10 % больше, чем при переработке зерна, а расход топлива на 12 % меньше, ниже себестоимость спирта. К недостаткам картофеля как сырья для выработки спирта относятся значительная трудоемкость возделывания, плохая сохраняемость из-за высокого содержания влаги и легкой подверженности заболеваниям и невыгодность транспортирования на далекие расстояния. Кукуруза. Из зерновых культур лучшим сырьем для производства спирта является кукуруза (Zea mays). В ней содержится относительно больше крахмала, меньше клетчатки, больше жира (что повышает кормовое достоинство барды). Урожайность кукурузы в 2...3 раза выше урожайности других зерновых культур. Рожь, пшеница, ячмень и овес. Рожь (Secale), пшеница (Triticum), ячмень (Hordeum) и овес (Avena) широко возделываются в Казахстане. В небольших количествах перерабатывают крупяные культуры — просо, гречиху, и рис, некоторые продовольственные (горох) и кормовые (вику). Меласса. Мелассой называют последний маточный раствор — оттек, получающийся при отделении кристаллов сахарозы на центрифугах. В мелассе содержатся несахара сока сахарной свеклы или сахарного тростника, не удаляемые при его химической очистке, и сахароза, которую выделять классическим методом кристаллизации уже экономически невыгодно. При выработке сахара из свеклы выход мелассы в расчете на безводную колеблется от 3,5 до 5 % от ее массы. С мелассой отходит от 10 до 15 % всего сахара, содержащегося в перерабатываемой свекле. В соответствии с видом исходного сырья для производства сахара различают свекловичную и тростниковую мелассу. В нашей стране сахарный тростник не произрастает, но на сахарных заводах после свеклы на белый сахар перерабатывают импортный сахар-сырец. Получаемую при этом мелассу называют сырцовой. Меласса представляет собой густую вязкую жидкость темно-коричневого цвета со специфическим запахом карамели и меланоидинов; свекловичная меласса имеет еще и запах триметиламина и других летучих аминов, образующихся при разложении бетаина. Для спиртового производства меласса — наилучшее сырье. Ценность ее заключается в том, что наряду с высоким содержанием сахара в ней находятся все вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности дрожжей. При переработке мелассы упрощается технологическая схема, так как исключаются операции разваривания сырья и осахаривания крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов. В мелассном сусле отсутствуют декстрины и неосахаренный крахмал, поэтому оно быстрее сбраживается, при этом уменьшаются потери сбраживаемых углеводов и увеличивается выход спирта в пересчете на условный крахмал, снижается себестоимость спирта и возрастает производительность труда. Из мелассной барды можно получать большой ассортимент ценных для народного хозяйства продуктов. 2 Сущность и основные стадии технологического процесса По современной номенклатуре технология спирта относится к биотехнологии. Основные процессы получения спирта — превращение крахмала в сахар и сахара в этиловый спирт под действием биологических катализаторов (ферментов). Так как ферменты для гидролиза крахмала до сахаров вырабатываются плесневыми грибами и бактериями, а для превращения сахаров в спирт — дрожжами, технология спирта неразрывно связана с технической микробиологией. Технология спирта включает в себя следующие процессы: подготовку сырья к развариванию, разваривание зерна и картофеля с водой для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала; охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода (пророщенного зерна) или культур плесневых грибов; сбраживание сахаров дрожжами в спирт; отгонку спирта из бражки и его ректификацию, а также приготовление солода путем проращивания зерна или культивирования плесневых грибов и бактерий для получения амилолитических и протеолитических ферментных препаратов, выведение и размножение засевных дрожжей. При получении спирта из мелассы перерабатывается содержащаяся в ней сахароза, поэтому процессы разваривания и осахаривания исключаются. Водно-тепловая обработка зерна и картофеля. Цель водно-тепловой обработки крахмалосодержащего сырья — подготовка к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами солода или ферментными препаратами. Осахаривание крахмала наиболее полно происходит тогда, когда его зерна доступны действию ферментов. Этого можно достичь такими способами: тепловой обработкой неизмельченного сырья при высокой температуре (150...170° С), чрезвычайно тонким механическим измельчением сырья при помощи специальных машин (дезинтеграторов). механическим измельчением сырья до оптимальных размеров частичек с последующим развариванием массы. Разваривание крахмалосодержащего сырья при высокой температуре увеличивает себестоимость спирта вследствие больших удельных затрат пара и уменьшает выход спирта с 1 т крахмала, поскольку во время такого разваривания образуются меланоидины и карамели, которые дрожжи не сбраживают. Разваривание крахмалосодержащего сырья при температуре ниже 100° С значительно снижает потери сбраживаемых веществ и сокращает затраты пара на единицу крахмала. Кроме того, отпадает необходимость устанавливать аппараты, которые работают под большим давлением. Следует отметить, что крахмал, разваренный при температуре ниже 100° С, фермергтами солода полностью не осахаривается. Итак, наиболее эффективным способом водно-тепловой обработки зерна и картофеля является низкотемпературное разваривание сырья с последующим осахариванием крахмала высокоактивными ферментными препаратами. Больше половины сухих веществ зерна и картофеля составляет крахмал, из которого в процессе производства получают спирт. Крахмал в растительных клетках содержится в виде микроскопически мелких зерен (гранул) овальной формы. Размер крахмальных зерен составляет от 1 до 120 мкм. Средний размер наибольших гранул картофельного крахмала составляет 40...50 мкм, а гранул крахмала злаков — 10... 15 мкм. По химическому составу гранулы крахмала состоят из двух полиоз — амилозы и амилопектина. Молекулы амилозы представляют собой длинные цепочки остатков (3глю-копиранозы. Молекулы амилопектина — это сильные большие органические молекулы, масса которых составляет 10'. В крахмале большинства растений содержится 20...25% амилозы и 75...80% амилопектина. Амилоза и амилопектин не растворяются в холодной воде, этиловом спирте и эфире. В производстве спирта такие свойства крахмала, как набухание, клейстеризация и растворимость, имеют первостепенное значение, так как от них зависит атакуемость зерен крахмала амилолитическими ферментами. Измельченные крахмальные гранулы атакуются амилазами гораздо легче, чем неизмельченные, а клейстеризованный крахмал, особенно растворенный, в сотни раз легче, чем нативный. Наряду с физико-химическими происходят и биохимические изменения крахмала, главным образом гидролитические. Крахмал поддается ферментативному гидролизу после разваривания сырья также благодаря содержанию в нем амилаз (самоосахаривание). При температуре разваривания до 70е С среди продуктов гидролиза преобладают сахара, а при повышении температуры они разлагаются. Основным показателем спиртового производства, которое характеризует оптимальный режим проведения технологических процессов, является выход спирта из 1 т условного крахмала сырья. Исследования ученых показали, что в результате повышения температуры и продолжения процесса разваривания уменьшается содержание нерастворимого крахмала в зрелой бражке и увеличиваются потери от разложения Сахаров. Итак, оптимальным режимом разваривания крахмалосодержащего сырья в зависимости от степени его измельчения является тот, при котором общие потери сбраживаемых веществ минимальны. На спиртовых заводах раньше применяли, в основном, беспрерывные способы разваривания измельченного растительного сырья с повышенным давлением в аппаратах колонного и трубчатого типов. Но в связи с большими затратами пара на 1 т сырья и потерями крахмала в процессе образования при высоких температурах несбраживаемых веществ (меланоидинов и карамели) спиртзаводы перешли на механическо-ферментативную обработку крахмалосодержащего сырья, которая предусматривает применение воднотепловой и ферментативной обработки измельченных зерен и картофеля в беспрерывном процессе при температуре не выше 100° С в горизонтальных и вертикальных цилиндрических аппаратах с мешалками. Если на замес из измельченного зерна или картофеля, предварительно смешанный с ферментным препаратом (а-амилаза), действовать тепловой энергией (60...96° С) при беспрерывном перемешивании в течение нескольких часов, то такой замес можно без разваривания под давлением охладить до 60° С и направлять на осахаривание. Эта технология дает возможность уменьшить затраты пара на разваривание (на 40%) и увеличить выход спирта с 1 т крахмала за счет снижения потерь сбраживаемых веществ. Разваренную массу подают на осахаривание, которое включает в себя такие операции: - охлаждение разваренной массы (зерна или картофеля) до соответствующей температуры; - смешивание разваренной массы с ферментными препаратами (или солодовым молоком); - осахаривание крахмала; - охлаждение сусла до начальной температуры его брожения; - перекачивание сусла в бродильное и дрожжевое отделения завода. Все эти операции, кроме перекачивания сусла, проходят в основном по беспрерывной технологической схеме. Сбраживание сусла. Сусло 1) в пиво- и квасоварении сусло — водный раствор экстрактивных веществ растительного сырья или солода, предназначенный к сбраживанию; 2) В виноделии сусло — виноградный сок, получаемый при дроблении и прессовании винограда и мезги. Вся масса сусла, кроме той части, которая идет на приготовление дрожжей, подается в бродильные аппараты для сбраживания на спирт. Во время сбраживания зернокартофельного сусла одновременно происходят процессы доосахаривания декстринов. Сброженное сусло называется бражкой или культуральной жидкостью. Содержание спирта в зрелой бражке в объемных процентах называется крепостью бражки. На спиртовых заводах страны применяют, в основном, непрерывно-проточный, проточно-циркуляционный и циклический способы сбраживания сусла. Непрерывнопроточный способ характеризуется введением дрожжей в поток осахаренного сусла главного аппарата бродильной батареи, которая состоит из нескольких последовательно соединенных между собой аппаратов. Из конечного аппарата получают зрелую бражку. Циклический способ сбраживания сусла представляет собой разновидность полунепрерывных методов брожения, когда главное брожение проходит непрерывно, а дображивание — периодически. Технологические показатели зрелой бражки характеризуют не только работу бродильного цеха, но и всех предыдущих цехов и отделений — разваривания сырья, проращивания солода или культуры плесневых грибов (ферментные препараты), осахаривания, вакуум-охлаждения, размножения дрожжей и др. Выделение спирта из бражки. На перегонку и ректификацию спирта подается зрелая бражка, которая состоит из воды (82...90% мае), сухих веществ (4... 10% мае.) и этилового спирта с сопутствующими летучими примесями (5...9% мае, или 6...11% об). В бражке содержится также 1... 1,5 г/дм3 диоксида углерода, кислотность 0,5° Т, рН = 4,5...5,2. Сухие вещества бражки содержат как дрожжи и дробину, так и растворимые в водно-спиртовой смеси органические и неорганические вещества (декстрины, несбраживаемые сахара, белки, кислоты, минеральные вещества и др.). Наибольшее общее содержание сухих веществ в мелясной бражке — 8...10%, в зерновой — 6...7%, в картофельной — 3...4%. Летучие примеси спирта характеризуются большим разнообразием (70 видов) и составляют 0,6% от количества этилового спирта. Они делятся на четыре группы: спирты, альдегиды, кислоты и эфиры. Отдельно выделена группа азотистых (аммиак, амины, аминокислоты) и серосодержащих веществ (сероводород, сульфокислоты и др.). Такие примеси, как пропиловый, изобутиловый и изоамиловый спирты (0,35...0,45% от количества этилового спирта), служат основой сивушного масла. Метиловый спирт (0,2% от количества этилового спирта) содержится в зернокартофельной и свекольной бражке. Свободный от спирта остаток — барда (после перегонки), содержит все сухие вещества бражки и остаточную часть воды. Ректификация — сложная многоразовая перегонка в противоточном потоке жидкости и пара. В результате тепломассообмена между компонентами на контактных устройствах (тарелках) пар, который поднимается вверх по ректификационной колонне, обогащается спиртом, а жидкость, которая опускается вниз, обедняется. Колонны (бражная, эпюрационная и ректификационная) обогреваются открытым паром в том случае, если он не влияет отрицательно на качество конечных продуктов, не взаимодействует с продуктами ректификации и не образовывает новых систем, которые с трудом разделяются в колонне. Во время открытого обогревания конденсат пара смешивается с остатком (конечным продуктом разделения). Для закрытого обогревания колонн с помощью кипятильников (испарителей) нужен пар более высоких параметров и наличие поверхности теплообмена. При этом полностью гарантируется отсутствие попадания разных примесей из пара в колонны. Получение спирта-сырца. Спирт-сырец концентрацией от 35 до 96% об. выделяется из бражки со всеми улетучивающимися примесями и приводится к заданной концентрации. Спирт-сырец концентрированный (88% об. и выше) получают на одно- и двухколонных ректификационных установках (рис. 1). В процессе получения спирта-сырца из бражки отгоняют этанол вместе с летучими примесями. Бражка А нагревается в дефлегматоре 3 и поступает в бражную часть колонны 7, где спирт испаряется из бражки паром ЧП, который вводится в кубовую часть колонны. Бражка А, освобожденная от ЛЛК встречным потоком пара в бражной части, называется бардой Б, которая беспрерывно выводится из колонны через гидрозатвор или бардорегулятор 5. В бражной части устанавливают 18...22, в спиртовой — 9... 10 контактных устройств. В основном на таких установках монтируют сетчатые или многоколпачковые устройства. Спиртовый пар концентрацией около 88% об. из установки поступает в дефлегматор 3, где значительная часть его конденсируется (2/3), отдавая теплоту бражке и воде и образовывая флегму. Остаточная часть (около 1/3) спиртового пара поступает в холодильник 4, где конденсируется в спирт-сырец и охлаждается. Рисунок 1 – Аппаратурно-технологическая схема одноколонной ректификационной установки 1 – бражная часть; 2 – спиртовая часть; 3 – дефлегматор; 4 – холодильник спирта; 5 – бардорегулятор; А – бражка; Б – барда; В – вода; ГП – греющий пар; ЛЛК – легколетучие компоненты; СП – спиртовой пар; СС – спирт-сырец; Ф - флегма Эксплуатация ректификационной одноколонной установки сводится к выбору и стабилизации оптимального режима ее работы, во время которого необходимо строго следить за подачей бражки, пара и воды, за отводом спирта и барды. Для постоянной и оптимальной подачи бражки работу установки регулируют изменением подачи пара к ней и воды в дефлегматор. Подачу пара регулируют так, чтобы при заданной концентрации спирта-сырца не было потерь спирта с бардой. В современных установках подачу бражки, пара и воды изменяют с помощью автоматических регуляторов, в зависимости от разных параметров: бражки — от температуры в верхней бражной части, пара — от давления в нижней части установки, воды в дефлегматор — от концентрации спирта, а воды в холодильник — от его температуры. Давление в нижней части установки поддерживается в пределах 0,8... 1,5 г вод. ст., в верхней — может изменяться в пределах 0,1...0,5 г вод. ст. Затраты пара и воды на установках для производства спирта-сырца колеблются в широких диапазонах и зависят от концентрации спирта в бражке и спирте-сырце, состояния и конструкции установки, а также от режима эксплуатации. На 1 дал спирта-сырца расходуется 18...26 кг пара и 0,1...0,5 м3 воды. Потери во время получения спирта не превышают 0,3% спирта, введенного с бражкой. Технология ректификованного спирта. В спиртовой промышленности ректификованный спирт получают исключительно из бражки, в основном, на неирерывнодействующих трехколонных брагоректификационных установках (БРУ) (рис. 2). Рисунок 2 – Аппаратурно-технологическая схема брагоректификационной установки (БРУ) непрямой линии I, II. III – бражная (БК); эпюрационная (ЭК) и ректификационная (РК) колонны; 1 – подогреватель бражки; 2 – сепаратор СО2; 3 – дефлегматор РК; 5 – конденсатор РК; 6 – конденсатор ЭК; 7 – основной конденсатор БК В этой установке бражная колонна состоит из 23...28 одноколпачковых контактных устройств (тарелок) двойного кипячения с междутарелочным расстоянием 280 мм, или из 24...28 сетчатых или клапанных тарелок с междутарелочным расстоянием 500...550 мм. Сетчатыми и клапанными тарелками оборудованы колонны установок производительностью 3000 дал в сутки и больше. В эпюрационной колонне размещают 39...41 многоколпачковых или клапанных тарелок с междутарелочным расстоянием 170 мм. Питание вводят на 20-ю, 27-ю или 36-ю тарелку, начиная снизу. В спиртовой колонне должно быть 71...74 тарелки того же типа, что и в эпюрационной. Введение питания предусмотрено на 16ю тарелку внизу колонны. Все колонны (каждая в отдельности) обогреваются открытым или закрытым паром. К каждой из них присоединены теплообменники для конденсации пара, который выходит из колонн. Бражка, которая поступает в установку, нагревается в подогревателе 1 до температуры 70...85° С, потом в сепараторе 2 освобождается от С02 и других газов, после чего вводится в бражную колонну. Конденсат бражной колонны (бражный дистиллят) направляют в среднюю часть эпюрационной колонны. В нижней части к бражной колонне присоединен бардоотводчик или гидравлический затвор с пробным холодильником. Пар, который выходит из эпюрационной колонны, конденсируется в дефлегматоре 3 и только небольшая часть — в конденсаторе 6; он имеет максимальную концентрацию главных и конечных примесей и называется этиловым спиртом главной фракции (ГФ). Освобожденный от главных примесей эпюрат подается на питание спиртовой колонны, оборудованной дефлегматором 4 и конденсатором 5. Преобладающая масса пара, которая выходит из спиртовой колонны, конденсируется в дефлегматоре и в виде флегмы поступает на орошение колонны. Ректификованный (пастеризованный) спирт, который отбирается из жидкой фазы с 3...10-й тарелки, начиная сверху спиртовой колонны, проходит холодильник, спиртоизмерительный прибор и поступает в спиртоприемочное отделение. Промежуточные примеси выводятся из спиртовой колонны в виде двух продуктов — сивушной фракции (с 35-, 7-, 9- или 11-й тарелки) и сивушного спирта (с 17...20- и 25-й тарелок, начиная снизу колоны). После конденсации и экстрагирования из сивушной фракции получают сивушное масло, которое является товарным побочным продуктом. Сивушный спирт также удаляют из установки в виде побочного продукта. Лютерная вода выходит из нижней части колонны через гидравлический затвор. Каждая колонна обеспечена верхним и нижним вакуум-прерывателем, регуляторами подачи пара и воды. Для непрерывного контроля за работой установок по линии подачи бражки, отбора главной фракции, непастеризованного, сивушного и ректификованного спиртов, а также сивушной фракции применяют расходомерные устройства (ротаметры). Производство этилового спирта из зерна, картофеля, сахарной свеклы и мелассы основано на ферментативном гидролизе крахмала сырья и сбраживании образующихся сахаров и сахаров, содержащихся в сахарной свекле и мелассе, дрожжами (одно клеточными неподвижными микроорганизмами). Производство пищевого спирта складывается из следующих основных процессов: - разваривание растительного сырья с водой с целью нарушения его клеточной структуры и растворения крахмала; - охлаждение разваренной массы и осахоривание крахмала ферментами солода (проращенного зерна) или культурами плесневых грибов; - сбраживание сахаров дрожжами; - отгонка спирта из бражки и его ректификация. Спиртовое брожение – сложный биохимический процесс, протекающий через ряд промежуточных стадий с участием большого числа ферментов, вносимых в затор (разваренная масса крахмалистого сырья) с солодом или культурами плесневых грибов. В процессе брожения ферменты размножившихся дрожжей превращают солодовый сахар в гексозы (глюкозу и фруктозу) и затем сбраживают последние в спирт и углекислый газ. Этот процесс протекает по уравнению По окончании брожения полученную жидкость - зрелую бражку с содержанием 8-10 % об. этилового спирта, направляют на перегонку для получения спирта-сырца на брагоперегонньй аппарат или для получения ректификованного спирта на брагоректификационный аппарат. В процессе перегонки бражки в виде отхода получают барду ценный корм для скота. 3 Микроорганизмы, используемые в производстве спирта Сахар, содержащийся в сусле, сбраживают в спирт дрожжами Saccharomyces cerevisiae, представляющими собой одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к классу аскомицетов (сумчатых грибов). По внешнему ввду клеток можно определить физиологическое состояние дрожжей. В производственных средах одновременно присутствуют молодые, зрелые, почкующиеся старые и отмершие клетки. Наибольшей бродильной энергией обладают зрелые клетки. Дрожжи, применяемые в производстве спирта, должны иметь высокую бродильную энергию (быстро и полно сбраживать сахара) и анаэробный тип дыхания, быть устойчивыми к продуктам своего обмена и к продуктам обмена посторонних микроорганизмов, а также к изменению состава среды, переносить большую концентрацию солей и сухих веществ, содержащихся в сусле, при переработке мелассы полно сбраживать раффинозу. При выделении дрожжей из зрелой бражки и использовании их в качестве хлеббпекарных они должны отвечать требованиям, предъявляемым к хлебопекарным дрожжам по стойкости при хранении, подъемной силе, зимазной и мальтазной активности. На спиртовых заводах, перерабатывающих мелассу, применяют дрожжи расы Я, при использовании дрожжей в качестве хлебопекарных — расу лохвицкую (Ял) и венгерскую (В). Эти расы хорошо сбраживают сахарозу, глюкозу, фруктозу и лишь 1/3 раффинозы, поэтому при большом содержании раффинозы в мелассе недобор спирта значительный. Для сбраживания сусла из мелассы на некоторых заводах используют расу V-30. Она обладает высокой генеративной способностью, сбраживает раффинозу на 70...80 % и выделенные из зрелой бражки дрожжи имеют лучшие, чем дрожжи расы В, хлебопекарные качества. Кроме того, они способны переносить высокие концентрации сухих веществ в сусле и накапливать в зрелой бражке больше спирта, так как они глубже сбраживают сахара сусла и меньше образуют глицерина. Мальтазная активность дрожжей расы V-30 более чем в 2,5 раза выше по сравнению с дрожжами расы В. Повышение бродильной активности дрожжей может быть достигнуто различными способами: мутагенезом, гибридизацией и др. Для получения рас дрожжей с требуемыми свойствами наиболее перспективным оказался метод гибридизации, так как при скрещивании двух родительских видов дрожжей можно подобрать расы с заранее известными свойствами. Этим способом был получен ряд гибридов, имеющих преимущества перед дрожжами рас Я и В. Гибриды содержат фермент а-галактозидазу, под действием которой раффиноза полностью превращается в сбраживаемые сахара. Кроме того, у отдельных дрожжевых гибридов повышена генеративная способность и лучше хлебопекарные свойства. Мальтазная активность гибрида 112 выше, хотя спирта он накапливает на 1 % меньше, чем дрожжи расы В. Гибриды 67 и 105 обеспечивают одинаковый выход спирта по сравнению с расой В, но проявляют высокую генеративную способность. Дрожжи расы Г-67 устойчивее к пониженному рН, при котором образуется больше спирта в результате сокращения расхода сахарозы на побочные и вторичные продукты. При сбраживании сусла из крахмалсодержащего сырья применяют дрожжи расы XII. Они хорошо сбраживают мальтозу, сахарозу и фруктозу, но не сбраживают конечные декстрины. Гидролиз конечных декстринов продолжается во время сбраживания сусла под действием декстриназы солода или глюкоамилазы микробного происхождения.Поэтому скорость сбраживания сусла из крахмалсодержащего сырья лимитируется скоростью гидролиза конечных декстринов. 1 Дрожжи, использующиеся в пивоварении Пиво — это слаооалкогольный напиток, подученный из солода и непророщенных зерновых культур (ячмень, пшеница, кукуруза, рис, тритикале и др.) спиртовым сбраживанием охмеленного сусла пивными дрожжами. Оно не только утоляет жажду, но и повышает тонус организма, улучшает обмен веществ и усвояемость пиши. Пиво представляет собой довольно сложную систему органических и неорганических кристаллоидов и коллоидов в слабом водноспиртовом растворе. В его состав входит свыше 400 соединений, которые определяют высокое качество и необходимость для человека этого продукта. Пивоваренные дрожжи, как и все дрожжи, это одноклеточные организмы (Fungi) без хлорофилла, которые по морфологическим признакам относятся к классу грибов, подкласс Ascomycetes, семейству Saccharomycetaceae (Endomycetaceae), рода Saccharomyces. По способности сбраживать разные сахара, которые имеют значение для классификации рас, Коцкова-Краткохвшюва относит пивоваренные дрожжи ко второму типу (сбраживает мальтозу и сахарозу), включающему группу cerevisiae, которая сбраживает рафинозу только на 1/3 и группу carlsbergensis, которая сбраживает рафинозу полностью. Saccharomyces cerevisiae образует в бродящей жидкости суспензию, которая не выделяется хлопьями (не агглютинирует) и не осаждается (не седиментирует). При брожении они поднимаются к поверхности бродящего сусла и образуют на ней густую пену, которая должна быть вовремя удалена (собрана). Поэтому они называются верховыми дрожжами и пиво, для производства которого они были использованы, называется пивом верхового брожения. Верховое брожение протекает при высоких температурах от 10 до 25°С; при температуре ниже чем 10°С брожение обычно прекращается. Saccharomyces carlsbergensis при брожении агглютинируют и оседают на дно бродильного чана, где собираются и образуют к концу брожения более или менее прочный осадок. Поэтому технически они обозначаются как дрожжи низовые и соответствующее пиво является пивом низового брожения. Брожение, вызванное ими, хорошо протекает и при низких температурах от 6 до 8°С; брожение приостанавливается только при 0°С. Физиология причин разного поведения дрожжей обоих типов не установлена. Однако известно, что верховые дрожжи при размножении почкованием не отделяют тотчас же дочерние клетки, а образуют группы клеток, которые выносятся на поверхность закрепившимися на них пузырьками углекислого газа. Предполагается, что клетки верховых дрожжей несут противоположный электрический заряд, чем пузырьки углекислого газа, и поэтому взаимно притягиваются. У низовых дрожжей предполагается одинаковый заряд, так что дрожжевые клетки с пузырьками углекислого газа взаимно отталкиваются. Согласно другому объяснению прилипание группы клеток к пузырькам углекислого газа приписывается более высокой поверхностной активности верховых дрожжей. Для отличия верховых дрожжей от низовых ни высокая температура при брожении, ни подъем клеток к поверхности бродящей жидкости не является абсолютно надежным признаком. Это происходит потому, что верховые дрожжи можно постепенно приспособить (адаптировать) к низким температурам, при которых они, если слой бродящей жидкости низкий, часто не поднимаются к поверхности, как при высоких температурах. И, наоборот, разная способность сбраживать рафинозу является относительно надежным различающим признаком. В ферментной системе низовых дрожжей (Sacch. carlsbergensis) находятся инвертаза и мелибиаза, а у верховых (Sacch. cerevisiae) только инвертаза. Верховые дрожжи сбраживают рафинозу только на 1/3 так как инвертаза гидролизует трисахарид рафинозы до моносахарида фруктозы и дисахарид мелибиозы, которая не сбраживается прямо, а только после гидролиза в моносахарид глюкозу и галактозу, которую катализирует мелибиаза. По последним данным, верховые дрожжи характеризуются высокими коэффициентами respirace после предварительной аэробной культивации в глюкозе. Тем самым они отличаются от низовых дрожжей. Это различие вызывается присутствием янтарной дегидрогеназы (сукцинодегидрогеназы) в верховых дрожжах. Этот фермент функционально связан с цитохромом С и с дыхательным ферментом Варбурга. Низовые дрожжи его не содержат. Его отсутствие в них носит адаптивный характер и этим, в частности, объясняется меньшая способность к размножению у низовых дрожжей, чем у верховых. 2 Биохимические основы процесса сбраживания пивного сусла Основной процесс, в результате которого сусло превращается в пиво — спиртовое брожение. При этом химический состав сусла существенно изменяется и оно превращается во вкусный ароматный напиток. Сбраживание пивного сусла проходит в две стадии: главное брожение и дображивание. На первой стадии происходит интенсивное сбраживание сахаров сусла, в результате которого образуется молодое (мутное) пиво, имеющее своеобразные вкус и аромат, еще непригодное к употреблению. При дображивании оставшиеся сахара медленно сбраживаются, пиво приобретает характерные органолептические свойства, осветляется и насыщается оксидом углерода, т. е. происходит его созревание и пиво превращается в товарный продукт. Сбраживание пивного сусла проходит в бродильных аппаратах разных типов. Возбудителями брожения являются дрожжи, которые представляют собой одноклеточные микроорганизмы растительного происхождения. Брожение и дыхание две формы диссимиляции. Брожение является анаэробным обменом веществ дрожжевой клетки, когда углеводы частично превращаются в этиловый спирт и диоксид углерода, в отличии от дыхания. где этот же субстрат полностью окисляется с образованием диоксида углерода и воды. Дрожжи в течение всего периода размножения одновременно со сбраживанием сахаров ассимилируют из аминокислот около 45% азота, органических и неорганических аммонийных солей с образованием и выделением азотистых веществ, летучих и нелетучих кислот. Размножение дрожжевых клеток почкованием основной путь их накопления при нормальных условиях в бродильном аппарате. Сначала на материнской клетке в аэробных условиях образуется маленькая дочерняя почка. которая, достигнув соответствующей величины, отделяется от материнской клетки и ведет самостоятельную жизнь, ассимилирует питательные вещества и размножается. Период времени от начала почкования материнской клетки до почкования дочерней называют продолжительностью генерации. Культивирование дрожжей в пивоварении проводят периодическим и полунепрерывным способами. Важное значение для осветления пива после его сбраживания имеет агглютинация (флокуляцпя или склеивание и оседание) дрожжевых клеток, то есть способность дрожжей укрупняться в конгломераты (аглютинаты) и быстро оседать на дно. Это связано с электрическим зарядом дрожжей и их автолизом. Под действием собственных ферментов во время старения клетки происходит биохимический распад углеводов и жиров и они растворяются, то есть поддаются автолизу. Различают сильно- и слабосбраживаемые дрожжи, а также дрожжи верхового и низового брожения. Все пивные дрожжи должны быть микробиологически чистыми, хлопьевидными, быстро сбраживать сусло и оседать на дно, образовывая чистое осветленное и прозрачное пиво с полным вкусом и ароматом. К таким дрожжам относится раса 11 — сильносбраживаемые дрожжи с высокой способностью к осветлению. Пиво, полученное с их использованием, приятного вкуса. Дрожжи рас 41 и 44 — среднесбраживаемые с высокой способностью к осаждению и осветпению. Механизм спиртовою брожения в анаэробных условиях представляет собой сложный биохимический процесс преобразования углеводов в результате метаболизма дрожжей и действия их ферментов на спирт и диоксид углерода и выражается уравнением: С6Н12О6 - 2СН3СН2ОН+2СО2 + 118 кДж Из 180 г глюкозы теоретически можно получить 92 г спирта, 88 г диоксида углерода, ряд побочных и вторичных продуктов (глицеpин, янтарную кислоту, высшие спирты, альдегиды и др.). Во время аэробного брожения с полным окислением углеводов образуется вода, диоксид углерода и большой прирост биомассы. Современная технология пива характеризуется совмещением брожения и дображивания в цплиндроконическом аппарате. Суть ее состоит в том, что в одном аппарате большой емкости (от 100 до 2000 м') совмещают две стадии: главное брожение и дображиваиие. Весь бпотехпологпческий процесс длится 14...15 СУТОК вместо 28 (для Жигулевского пива). В пивоварении применяют целый ряд способов сбраживания пивного сусла и дображивания пива. Это — периодический, полунепрерывный, ускоренный в цилиндроконических бродильных аппаратах и др. По классической традиционной технологии различают холодное (5…60 С) и теплое (7…120 С) брожение в аппаратах периодического действия. Основной показатель брожения -- конечная степень сбраживания. При низовом брожении в молодом пиве оставляют часть углеводов ( 1 , , . 1 , 5 % ) для дображивания и естественного насыщения пива диоксидом углерода. При работе с чистой культурой основой являются дрожжи, которые получают в специальных лабораториях. Размножением дрожжей в постепенно возрастающих количествах стерильного сусла достигают количества, необходимого для введения в один производственный бродильный аппарат. Осадок дрожжей после первого сбраживания по классической периодической технологии в производственном аппарате называют посевными дрожжами первой генерации. После первого сбраживания сусла дрожжами первой генерации в осадке получают дрожжи второй генерации, а осадок дрожжей, использованный, например, в десяти бродильных циклах, соответственно называют дрожжами десятой генерации и т.д. В классической технологии придерживаются двухстепенного брожения, по которому сразу после главного брожения в отдельных аппаратах (первая степень) молодое пиво освобождается от основной массы дрожжей, охлаждается, дображивает (вторая степень) и созревает в специальных аппаратах. Целью дображивания является завершение начатого во время главного брожения биохимического преобразования дрожжами, которые остались, остатков экстракта в конечные продукты — диоксид углерода, спирт, эфиры, альдегиды, высшие спирты, органические кислоты, аминокислоты и др. При этом диацетил превращается в ацетоин, происходит окончательное формирование аромата, вкуса, пеностойкости и стойкости пива. Во время дображивания пива в горизонтальных или вертикальных аппаратах происходят одни и те же биохимические процессы, что и во время главного брожения, но из-за низкой температуры и небольшого количества дрожжевых клеток они значительно замедлены. Содержание растворимого диоксида углерода увеличивается от 0,2 до 0,4% при оптимальном давлении в аппарате 0,04...0,07 мПа. 3 Сущность и основные стадии технологического процесса Основным сырьем для производства пива является солод, полученный из пророщенного и высушенного в специальных условиях ячменя. Кроме солода, используют воду, хмель, разные зерновые культуры (ячмень, пшеницу, кукурузу, рис, тритикале), дрожжи, концентраты из проросшего зерна, ферментные препараты, сахар. Пивоваренный ячмень, по сравнению с другими зерновыми культурами, используемыми в пивоварении, имеет существенные преимущества: растет практически повсюду, непритязателен к почвенно-климатическим условиям; легко перерабатывается для получения солода; оболочки измельченного ячменного солода разрыхляют слой дробины, которая обеспечивает хорошее фильтрование сусла при разделении затора. Состав ячменного солода и его ферменты дают возможность получать пиво с наилучшими качественными показателями. Ячмень относится к семейству злаковых и по морфологическим признакам делится па двурядный и многорядный. В зависимости от времени высевания ячмень бывает ярый и озимый. Ячменное зерно представляет собой продолговатую зерновку /гтиной около 10 мм и толщиной 3...4 мм и состоит из трех основных частей: зародыша, эндосперма и оболочек. Зародыш, который является зачатком будущего растения, содержится на спинной стороне основы зерна. Эндосперм — мучнистая часть зерна, клетки которой заполнены крахмальными зернами. Внешняя часть эндосперма представляет собой алейроновый пласт, в котором содержатся ферменты. Зерно защищают от повреждений и предохраняют зародыш от проникновения вредных для него веществ оболочки: внешняя — цветочная пленка, потом выросшие — плодовая и семенная. Хмель, наравне с водой и солодом, является тоже основным видом сырья для производства пива. Благодаря содержанию горьких веществ, эфирного масла, полифенолов, он — незаменимое сырье для производства пива. Именно хмель наибольшей мерой предопределяет характерные специфические свойства пива: наряду с неповторимыми вкусовыми и ароматическими качествами, оно приобретает способность противостоять помутнению в процессе хранения, улучшается его пеностойкость. Ценные вещества, которые содержит хмель, придают пиву особое биологическое значение. Наличие в хмеле более 400 разных соединений способствует тому, что его применяют в народной и научной медицине для лечения свыше 50 заболеваний: органов пищеварения, дыхания, сердечно-сосудистой системы, печени, желчных и мочевыводящих путей, нервных, кожных и т. п. Важнейшими компонентами хмеля для пивоварения считаются эфирные масла и хмелевые кислоты. А основным свойством хмеля является утонченный аромат, который во время технологической обработки придает пиву запах. Компоненты хмеля являются эффективными агентами для осаждения высокомолекулярных азотосодержащих веществ из сусла, положительно влияют на пеностойкость пива, а также проявляют бактерицидное и консервирующее действие на конечный продукт. Без естественных биологически активных органических катализаторов белкового происхождения, то есть ферментов, изготовить высококачественное пиво невозможно. В отличие от неорганических катализаторов, таких как кислоты, основания, металлы и их оксиды, ферменты не вредны для организма человека. В технологических процессах пивоварения специфическое действие ферментов дает возможность получать максимальное количество сусла и пива с минимальным содержанием посторонних веществ. Производство пива включает такие технологические процессы: - приготовление пивного сусла; - сбраживание пивного сусла; - дображивание и созревание пива; - осветление и разлив пива в бутылки или кеги. Пивное охмеленное сусло — это сахаристый полупродукт, образующийся в первой фазе технологического процесса при производстве пива и содержащий экстрактивные вещества из солода и хмеля. Важнейшим процессом при производстве охмеленного сусла является превращение нерастворимых компонентов солода — основного крахмалистого сырья в растворимый экстракт в результате ферментативных реакций, катализированных гидролизирующими ферментами. Активные вещества хмеля, наоборот, переходят в раствор в результате физических и химических процессов. Для создания технически подходящих условий для основного процесса необходимо работать с сырьем, предварительно механически обработанным дроблением, и в среде с достаточным количеством воды. Производство охмеленного сусла состоит из трех основных процессов: а) затирания, т. е. перевода экстрактивных веществ из перерабатываемого крахмалистого сырья (солода) в раствор; б) фильтрации осахаренного затора; в)охмеления сусла путем кипячения его с хмелем. Казалось бы, простые процессы, происходящие при производстве сусла, являются результатом сложных биохимических процессов, которые влияют на химический состав охмеленного сусла, а от него зависит не только дальнейший технологический процесс, но и качество пива. Первоначально технологические процессы, применяемые при производстве охмеленного сусла, главным образом в части густоты заторов, градации температур при затирании, кипячении заторов и т. д., были выведены чисто эмпирическим путем и, поэтому были в некоторой части излишне усложнены, что с современной точки зрения не всегда рационально. Благодаря достижениям в области биохимии и коллоидной химии и других отраслей науки стали возможны более совершенные методы управления пивоваренными процессами, и контроль за их прохождением. Вместе с тем опыт, приобретенный на практике, и дальше находит применение, если подтвердилась его верность. Приготовление пивного сусла состоит из пяти стадий: подготовка зернопродуктов (очищение, сортировка, измельчение); переведение экстрактивных веществ зернопродуктов (крахмал, белки и др.) в раствор, то есть сусло (затирание); фильтрование затора (обособление сусла); охмеление сусла в результате его кипячения с хмелем или хмелевыми препаратами; осветление и охлаждение сусла. Важнейшим технологическим процессом приготовления сусла является преобразование ферментативных компонентов солода и его заменителей (ячмень, пшеница, рис, кукуруза, сорго, тритикале и прочие зерновые культуры) в растворимый экстракт. Перед измельчением солод и его заменители очищают от пыли, органических и неорганических примесей. Для очищения зернопродуктов используют воздушноситовые сепараторы с магнитными устройствами, подвижными ситами и пылеотделителями. Солод перед измельчением увлажняют, благодаря чему оболочка становится мягкой и лучше отделяется от ядра, образовывая оптимальный фильтровальный слой во время разделения затора на сусло и дробину. Целью измельчения солода и зернопродуктов является создание благоприятных условий для действия воды и ферментов на фракции помола, а также ускорения физических и химических процессов, чем обеспечивается быстрое растворение веществ и ферментативное преобразование нерастворимых соединений (крахмал, белки и т. п.) в растворимые. Во время измельчения зернопродуктов, как и солода, оболочка должна оставаться в виде наибольших долек, которая обеспечивает не только образование оптимального рыхлого фильтровального слоя, а и значительно снижает переход нежелательных веществ в сусло. Такое измельчение в пивоваренной промышленности могут обеспечить только специальные вальцовые дробилки. Это шести-, четырех- и двухвальцовые установки с автоматическим регулированием контроля качества помола. Переведение экстрактивных веществ зернопродуктов и солода в раствор проводят в заторном аппарате, где осуществляется смешивание измельченных солода и зернопродуктов с водой, нагревание и кипячение заторной массы. Аппарат представляет собой цилиндрическую емкость с двойным сферическим дном, которое образовывает паровую камеру, с помощью которой нагревают и кипятят заторную массу. Аппарат оборудован распределительным краном для направления перекачиваемой заторной массы в фильтрационный аппарат. В зерновых злаковых культурах и солоде потенциальные питательные вещества для дрожжей находятся не в той форме, которую они могли бы использовать. Поэтому имеющиеся в зерне высокомолекулярные соединения необходимо расщеплять на молекулы, пригодные для потребления дрожжами. На стадии затирания ферменты расщепляют имеющиеся в солоде и других злаковых добавках крахмал и протеины. Продукты расщепления — простые сахара, аминокислоты и низшие пептиды — могут быть использованы дрожжами во время получения пива. В классических технологиях пива солод используют не только как основное сырье, но и как источник ферментов для расщепления нерастворимых веществ. Тем не менее солодование — дорогой процесс получения ферментов. Значительной экономии можно достичь частичной (около половины) заменой солода непророщенным зерном и промышленными ферментными препаратами. В процессе затирания в заторном аппарате необходимо создать оптимальные температурные условия для действия ферментов. Крахмал поддаемся ферментативным изменениям, которые протекают в три стадии: клейстеризация, разрежение и осахаривание. Ферментативиый гидролиз белков в заторном аппарате происходит под действием протеолитпческпх ферментов. Оптимальными температурными паузами во время затирания солода является: начало затирания при температуре 40...45' С для разрежения затора под влиянием цитолитическпх и других ферментов, потом температура затора повышается до 50...52О С - белковая пауза, оптимальная для действия пептидаз; для осахаривания крахмала предельной является температура 73О С, оптимальная для действия α-амилаз. Итак, изменяя температуру, продолжительность выдерживания затора при определенных температурах, а также рН, можно регулировать ферментативные процессы и изменять выход экстракта, получать необходимые соотношения между отдельными продуктами гидролиза крахмала и белков. На ферментативные процессы во время затирания и, соответственно, на выход экстракта и его состав, а также на коагуляцию белков и органолептические показатели готового пива значительно влияет показатель рН. Оптимальный показатель рН для действия комплекса основных ферментов солода во время затирания имеет диапазон 5...5,3. Если этот показатель выше, затор подкисляют молочной кислотой. На затирание 100 кг зернового сырья расходуется 400...500 л воды. Гидромодуль затора значительно влияет на скорость ферментативных реакций во время затирания, поскольку процесс осахаривания и расщепления белков замедляется при концентрации затора свыше 16%. В пивоварении применяют два способа затирания: настойный и отварочный. При настойном способе для приготовления затора используют воду, подогретую до такой температуры, чтобы начальное ее значение во время смешивания с солодом было 40° С. В заторный аппарат набирают половину расчетного количества воды, а потом одновременно добавляют измельченный солод и остаток воды для перемешивания. Затор выдерживают 30 мин при температуре 40° С. В процессе перемешивания его подогревают до 52° С со скоростью 1ОС в минуту и для эффективности действия пептидаз при этой температуре делают паузу на 30 мин. Далее массу подогревают до 63°С (мальтозная пауза), выдерживают 30 мин, потом — до 72° С и выдерживают до конечного осахаривания, которое определяют йодной пробой. Осахаренный затор нагревают до 76...78° С и перекачивают в фильтрационный аппарат для фильтрования. Одноотварочный способ состоит в том, что в заторный аппарат набирают половину всей воды, которую тратят на один затор, нагревают ее до такой температуры, чтобы после внесения измельченного солода температура за тора достигла 50...52ОС. Потом включают мешалку и спускают в аппарат из бункера измельченный солод, одновременно подавая остальную воду. Температуру заторной массы после размешивания устанавливают в пределах 50...52оС, что отвечает оптимуму действия протеолитпческпх ферментов. При этой температуре затор выдерживают 30 мни (белковая пауза), потом при отключенной мешалке спускают в отварочный аппарат 1/3 густой массы. Эту часть затора называют отваром. В отварном аппарате заторную массу при перемешивании подогревают до 62...63е С и выдерживают 20 мин (мальтозная пауза), дальше температуру повышают до 70...72° С и выдерживают 15 мин для осахаривания крахмала. После осахаривания массу нагревают до кипячения и кипятят 20 мин при работающей мешалке. Чтобы сохранить активность ферментов в основном заторе, отвар перекачивают в заторный аппарат медленно, направляя его в центр аппарата для лучшего перемешивания. Одноотварочный способ применяют только для переработки хорошо растворенного солода с высокой осахаривающей способностью. Двухотварочный способ затирания дает возможность перерабатывать солод разного качества, при этом температурный режим затирания может изменяться. Трехотварочный способ применяют в основном для изготовления темных сортов пива и переработки плохо растворенного солода с целью повышения выхода экстракта. С солодом хорошего качества можно перерабатывать не больше 30% несоложенного сырья, так как ферментов, которые вносятся в затор с солодом, недостаточно для гидролиза крахмала и белка. В пивоваренной промышленности как несоложенное сырье в основном используют пивоваренный ячмень второго сорта (со сниженной способностью к прорастанию), а также муку кукурузную, пшеничную и из других зерновых культур. Для успешного ферментативного гидролиза белков и крахмала используют ферментные препараты. С целью осуществления нормального процесса затирания количество внесенных ферментных препаратов должно обеспечить гидролиз биополимеров зерновых культур за время, установленное для затирания. Зависимость количества вносимых ферментных препаратов от количества несоложенного ячменя в заторе устанавливают экспериментально. Применение экологически чистых ферментных препаратов в пивоварении не снижает качества конечного продукта, повышает его стойкость и увеличивает прибыли. Фильтрование затора проводят в фильтрационном аппарате no таким последовательным операциям: подготовка фильтрационного аппарата, заливание сит водой, перекачивание затора в фильтрационный аппарат, отстаивание затора, пропуск кранов и возвращение мутного сусла, фильтрование первого сусла, промывание дробины, разгрузка дробины. Для фильтрования пивных заторов применяются также фильтрационные прессы, на которых все трудоемкие процессы механизированы и автоматизированы. Отфильтрованное сусло кипятят с хмелем в сусловарочпом аппарате. Целью кипячения сусла с хмелем являлся стабилизация его состава, упаривание до установленной концентрации, экстрагирование из хмеля ароматических и горьких веществ, инактивация ферментов, коагуляция белков и стерилизация сусла для обеспечения чистого брожения и получения стойкого продукта. После введения сусла в сусловарочный аппарат температуру в нем устанавливают в пределах 63.. . 70о С. При этих условиях αамилаза осахаривает крахмал, который перешел в сусло после промывания дробины. После окончания введения в сусловарочный аппарат промывных вод из фильтрационного аппарата и после достижения полного набора сусла его подогревают до кипячения и кипятят около 2 ч. Хмель и продукты его переработки вносят с учетом нормы горьких веществ в горячем сусле и содержания α-кислот в хмеле. Нормы горьких веществ в горячем сусле для пива разных наименований в допустимых границах зависят от способа изготовления пива, качества хмелепродуктов, зернового сырья и воды. В сусловарочный аппарат хмель вносят порциями в соответствии с технологической инструкцией. Сусло в сусловарочном аппарате необходимо кипятить с такой интенсивностью, чтобы количество использованной воды составляло не меньше 5...6% за 1 ч. Конец кипячения определяют по массовой частице сухого вещества в сусле, наличию в нем больших хлопьев скоагулированных белков и прозрачности в горячем состоянии. Массовую частицу сухого вещества определяют в охлажденной пробе сусла сахаромером. После кипячения сусло пропускают через хмелеотделитель, а потом направляют на охлаждение и осветление, целью которых является снижение температуры от 100 до 0 или 1О С (в зависимости от методов брожения) и насыщение сусла кислородом воздуха, чтобы в аэробных условиях брожения дрожжи активно размножались и осаждались зависшие дольки. Полное осветление сусла во время охлаждения устраняют трудности, которые возникают в процессе основною брожения, а также предотвращают помутнение и инфицирование пива. Предыдущее охлаждение сусла и его осветление проходят в отстойном аппарате, который имеет форму цилиндрического резервуара с рубашкой или змеевиком, плоским, немного преклонным дном и сферической крышкой. Осветление сусла можно проводить также в гидроциклонном аппарате который представляет собой цилиндр с конической крышкой и плоским дном. Горячее сусло входит в виде струи в аппарат тангенциально черев входной патрубок со скоростью 20м/с. Зависшие частички сусла под действием гидродинамических сил собираются в центре дна, где образуется конус осадка, который периодически отводится. Сусло осветляют также на сепараторах. Наиболее эффективным способом подготовки сусла к брожению является его охлаждение в пластинчатых теплообменниках, которые используются и для пастеризации пива и стерилизации сусла. Для первого охлаждения сусла в пластинчатом теплообменнике используют артезианскую воду температурой до 20ОС. а для окончательного охлаждения ледяную воду температурой 1ОС или рассол. Контроль подготовки сусла к брожению (охлаждение и осветление) состоит в установлении нормативной степени сбраживания, потерь экстракта между сусловарочным и бродильным аппаратами, степени осветления и биологическом контроле. На основе полученных данных устанавливают количество сусла в бродильном аппарате. Потери экстракта между варочным и бродильным отделениями не должны превышать 1%. Для их уменьшения следует старательно удалять сусло из отстоя и хмелевую дробину. С первым осветленным суслом в коническую часть аппарата вводят сильносбраживаемые дрожжи и проводят аэрацию стерильным воздухом. Температура брожения поддерживается в интервале от 9° до 14°С и регулируется подачей холодагента (через внешние пояса или выносной теплообменник). Окончание брожения определяют по установленному для каждого сорта уменьшению массовой части сухого вещества в пиве в течение 24 ч. На пятые сутки достигают видимой конечной массовой части 2,2...2,5% сухого вещества. Потом пиво охлаждают до образования плотного осадка дрожжей при температуре 0,5…1.5° С. В цилиндрической части температуру 3...4 0 С поддерживают в течение 6...7 суток, а потом снижают до 0,5...1,5° С и проводят процесс дображивания пива. Дрожжи изымают из конической части через 10 суток от начала брожения. После созревания пиво выдерживают, фильтруют, охлаждают и для повышения его стойкости обрабатывают протеолитическими ферментными препаратами. Оседание и своевременное выделение дрожжевых клеток способствует исключению сложных химических преобразований, которые существенно влияют на формирование вкуса и аромата пива, главным образом за счет образования ароматических спиртов и эфиров. После выдерживания пиво фильтруют через диатомит, мембранные или другие фильтры с целью удаления молекул белков, дрожжевых клеток, белководубильных соединений и хмелевых смол. Разлив пива в стеклянные бутылки осуществляют на автоматических линиях, которые состоят из автомата для выема бутылок из ящика, бутылкомоечной машины, разливного аппарата, закупорочного, бракеражного, этикетировочного автоматов и автомата для укладки бутылок в ящики. Пиво разливают также в пластмассовые экологически чистые бутылки, пивные банки из специальной листовой жести, предназначенные для пищевых продуктов и напитков, и кеги вместительностью 10...60 л. 1 Дрожжи в виноделии Вино является одним из древнейших алкогольных напитков, которое изготавливали в основном из винограда. Характерным доказательством давней культуры виноделия является настенная живопись в Египте, а также памятки письменности. Все это свидетельствует о том, что 6...7 тыс. лет назад в долине Нила виноград культивировался в виде вертикальной шпалеры. Найдены изображения людей, которые обрабатывают виноградники, собирают урожай и перевозят его на переработку. Грозди давили, а сок отделяли на специальных прессах. Потом сок сбраживали на диких дрожжах, отстаивали, переливали, а готовым вином наполняли амфоры и хранили в холодных подвалах. Из Египта и Греции культура виноградарства и виноделия пришла в Западную Европу, где существовали замечательные климатические условия для их развития. В начале I века н. э. Франция считалась страной с самостоятельной культурой выращивания винограда и технологией вина. В середине II тысячелетия определились основные выдающиеся винодельческие районы Франции — Шампань, Бордо, Бургундия и др., где виноградарство и виноделие особенно интенсивно развивались в конце XVII — начале XVIII века. Сегодня виноградарством и виноделием занимаются во многих странах мира на всех пяти континентах. Наибольших успехов в этом направлении достигли Франция, Италия, Испания, Португалия, Аргентина, США, Германия, Австралия, Словакия, Украина и Россия. Критерии классификации дрожжей. В виноделии, как и в другой отрасли бродильных производств, основной единицей в классификации является раса (штамм), представленная чистой культурой выделенной дрожжевой клетки в пределах одного и того же вида. Расы объединяются в виды (species), виды — в роды (genus, genera), а роды — в семейства. Дрожжи и дрожжеподобные организмы относятся к двум большим группам — спорообразующие дрожжи, объединяемые в один класс сумчатых грибов (Fungi), и неспорообразующие дрожжи, которые объединяются в группы несовершенных грибов (Fungi imperfecti). Класс сумчатых грибов — Fungi (грибы, образующие аско-споры). Порядок одноклеточные грибы-дрожжи — Unicellomycetales. Семейство Saccharomycetaceae, включает 17 родов, из которых производственное значение имеют 3: Saccharomyces, Pichia, Hansenula. Род Saccharomyces Meyen. К этому роду, наиболее обширному и хорошо известному, принадлежит большинство дрожжей, имеющих значение в бродильной промышленности. Класс несовершенных грибов — Fungi imperfecti (неспорообразующие грибы, половой способ размножения неизвестен). Клетки дрожжей рода Saccharomyces различной формы, чаще округлой, овальной или эллиптической, размножение вегетативное почкованием. Споры по 1—4 в аске, очень редко до 8. Вегетативное поколение дрожжей этого рода в обычных для них условиях развития всегда диплоидно. Старые культуры в жидкой среде дают кольцо и рост на поверхности с образованием ложного мицелия. Хорошо сбраживают сахара (но не более 30%) с образованием этанола до 18% об. Соли азотной кислоты не усваивают. Клетки дрожжей имеют разнообразную форму: круглую, овальную или эллиптическую, лимонообразную, цилиндрическую, иногда сильно вытянутую в виде гифов. По сравнению с другими микроорганизмами дрожжи являются довольно крупными формами. Диаметр клеток дрожжей достигает 1—8 мкм, длина— 1—10 мкм. При таких размерах клеток поверхность их в 1 л сбраживаемого виноградного сока может достигать 10 м2. Именно такая большая поверхность клеток дрожжей определяет интенсивность их метаболизма и процесса обмена веществ с окружающей средой. Масса дрожжевых клеток, равнозначная по массе животному (500 кг), за сутки синтезирует более 50 т белка, а животное — всего около 0,5 кг. Морфологически неизменные формы клеток дрожжей наблюдаются только у молодых культур на стандартной питательной среде. Одна и та же культура дрожжей может состоять из клеток, различающихся по форме и размерам, особенно в зависимости от стадий развития и условий окружающей среды. Так, хересные дрожжи в период брожения, как правило, крупные, имеют эллиптическую или круглую форму клеток, тогда как в стадии образования пленки они становятся мельче, приобретают более вытянутую конфигурацию. Дрожжи рода Hansenula, обычно образующие пленку на поверхности вина из скоплений клеток сильно вытянутых, мелких, при развитии в среде с ограниченным доступом воздуха, например на дне бутылки, становятся крупнее, круглой формы. Форма и величина клеток дрожжей при введении СО2 в среду значительно изменяется. Размеры клеток пивных дрожжей (Sacch. carlsbergensis) увеличиваются и наоборот, клетки слабо бродящих дрожжей (Torula latvica) становятся значительно мельче . Дрожжевая флора винограда, сусла и вина разнообразна и непостоянна. Качество получаемого вина зависит от продуктов обмена дрожжей. Данные о составе дрожжевой флоры на разных этапах спонтанного брожения виноградного сусла, при шампанизации и хересовании вина в последнее время дополнились новыми сведениями. Л. Пастер, доказавший необходимость присутствия дрожжей для возникновения процессов брожения, первым в конце XIX в. обнаружил дрожжи на зрелых ягодах винограда и не нашел их на зеленых ягодах. Он считал, что на зеленом винограде нет дрожжевых клеток, они появляются в период созревания и заносятся воздухом. Исследования, проведенные известным датским ученым Э. Ганзеном в 1880—1882 гг., показали, что главным местом обитания и размножения дрожжей апикулятусов и сахаромицетов в природе в течение лета и осени являются поврежденные сладкие сочные плоды, в том числе и виноград. При смывании дождями и опадании плодов дрожжи попадают в землю, где перезимовывают. С земли при помощи ветра, дождя, насекомых и мелких животных дрожжи вновь переносятся на плоды. На незрелых и неповрежденных плодах дрожжи не размножаются, а на поврежденных размножаются. Таков круговорот дрожжей в природе. Г. Мюллер-Тургау установил, что дрожжей в воздухе мало. Во время сбора винограда он помещал стеклянные сосуды со стерильным виноградным соком на открытом воздухе на виноградниках, а также в различных местах винодельческих подвалов и оставлял их открытыми на полчаса. Примерно в 80% сосудов размножались плесневые грибы, чаще всего представители родов Penicillium и Botrytis, и только в 1—2% сосудов, находившихся в подвале, возникало брожение, В некоторых сосудах сок оставался стерильным. Такие опыты проводились им в сезоны виноделия в течение нескольких лет и всегда получались аналогичные результаты. 2 Биохимические основы процесса виноделия Основным биотехнологическим процессом при производстве вин является процесс спиртового брожения сусла. В процессе спиртового брожения из глюкозы и фруктозы внутри и на поверхности клетки дрожжей образуется два главных продукта — этиловый спирт и диоксид углерода, а также промежуточные вторичные продукты: глицерин, янтарная кислота, уксусная кислота, ацетальдегид, бутилен-гликоль, лимонная кислота, пировиноградная кислота, эфирные и сивушные спирты (изоамиловый, изопропиловый, бутиловый и др.). Наиболее легко сбраживаются глюкоза и фруктоза, медленнее — манноза и галактоза, сахароза сбраживается с помощью фермента инвертазы, который всегда присутствует в дрожжах. Винные дрожжи имеют способность сбраживать высокие концентрации сахара (до 60%) и выдерживают высокие концентрации спирта (до 14... 16% об.). На образование вторичных продуктов брожения в процессе сбраживания сусла влияют также температура, исходный состав сусла, содержание в сусле аминокислот и витаминов, возраст и раса дрожжей и др. В процессе спиртового брожения сусла происходит и яблочно-молочное брожение, свойственное большинству столовых вин. Успешное протекание яблочно-молочного брожения считается необходимым условием для немецких рейнских вин, которые имеют высокую кислотность, и французских красных бордосских вин. Без яблочно-молочного брожения не было бы замечательных гонких вин Бордо, Виктории яблочно-молочного брожения факультативные анаэробы, способные размножаться п проводить яблочномолочное брожение в винах как без доступа воздуха (в бутылках, закрытых аппаратах), так и при его доступе. При высокой кислотности виноградного сусла необходимо использовать разные способы кислотопонижения. Для обеспечения стабильности вина и его гармоничности необходимо в первую очередь снижать концентрацию яблочной кислоты, которая биологически нестабильна, придает винам грубость и снижает их вкусовые свойства. Основной особенностью спиртового брожения в больших аппаратах является чрезмерное повышение температуры сусла, которое бродит (за счет тепла, выделяющегося при этом). Виноградное сусло включает эфирные масла, которые создают со временем основу букета вина. В процессе брожения пузырьки диоксида углерода, проходя сквозь слои жидкости, насыщаются парами эфирных масел и выносят их в атмосферу. Чем выше температура брожения, тем большее количество ароматических веществ выносится в aтмосферу с С02. Снижение температуры брожения способствует сохранению ароматических веществ в вине. Кроме того, при повышенных температурах брожения отмершие дрожжевые клетки скорее подвергаются автолизу, вследствие чего виноматсриал обогащается азотистыми веществами. Это увеличивает склонность вин к белковым помутнениям и микробиологическим заболеваниям. Температура брожения виноградного сусла существенно влияет на скорость сбраживания сахаров, химический состав получаемого вина и на его качество. Вина, полученные путем медленного сбраживания сусла, проходящего при низкой температуре, отличаются свежим и чистым сортовым ароматом, гармоничным тонким вкусом. Температурный оптимум размножения дрожжей лежит в пределах 22...30° С. Минимальной температурой, при которой дрожжи сохраняют свою жизнедеятельность, считается 8° С. Одним из основных факторов, определяющим качество столового вина, является гармоничное содержание в нем эфирных масел винограда, альдегидов, летучих кислот и органических, азотистых веществ (особенно аминного азота), ферментов и некоторых других веществ. Большое влияние на обмен веществ во время брожения сусла, а также на образование и активность ферментов имеет значение рН среды, температура брожения и степень аэрации сусла. Сусло и вино характеризуются значительным содержанием азотистых веществ, представленных белками и продуктами их гидролиза: пептидами, пептонами, аминокислотами, а также амидами и аммиаком. Азотистые вещества во время брожения и формирования вина играют чрезвычайно важную роль. Во-первых, они являются необходимым питанием для дрожжей и бактерий, а во-вторых, они улучшают ароматические и вкусовые качества вина в процессе его формирования и созревания. Регулятором содержания азотистых веществ в виноматериалах является температура брожения сусла. Брожение при температуре 14... 18° С дает возможность получить внноматериалы с минимальным содержанием азотистых веществ. Повышение температуры брожения вызывает увеличение количества азотистых веществ (в первую очередь амииного азота) в результате отмирания и автолиза дрожжевых клеток. При снижении температуры брожения (ниже 10° С) содержание азотистых веществ в виноматериалах увеличивается. Практикой доказано, что переливка виноматериалов в конце брожения с аэрацией заметно оживляет деятельность дрожжей и помогает в большинстве случаев предотвратить недоброды. В открытых бродильных аппаратах (с доступом воздуха) дрожжевых клеток всегда больше, чем в закрытых (без доступа воздуха). Так, при брожении в закрытых аппаратах в 1 мл сусла содержится 50 млн клеток, а при брожении в открытых — 100 млн клеток. Таким образом, аэрация бродящего сусла дает возможность регулировать количество дрожжевых клеток и тем самым усиливать скорость брожения. Охлаждение бродящего сусла проводится с помощью искусственного холода. Затраты холода на процесс брожения при изготовлении ординарных белых столовых вин (режим брожения 25...28° С) для завода с мощностью переработки винограда 50 т/сутки составляют 1250 тыс. ккал/сутки. Для марочных столовых вин (режим брожения 14... 18° С) потребность в холоде возрастает до 3750 тыс. ккал/сутки. После брожения необходимо провести осветление виноматериалов в бродильных аппаратах. Для ускорения осветления и предотвращения обогащения виноматериала азотом проводят его декантацию. Когда осветленный виноматериал перекачивают во второй аппарат, дрожжевую гущу через нижний кран спускают в специальные сборники. Непрерывное брожение сусла в потоке имеет преимущества перед периодическим способом потому, что свежее виноградное сусло подается небольшими порциями сразу в бурнобродящую с большим содержанием дрожжей массу (период разбраживания исключается). Исключается также период тихого дображивания остаточного сахара. Дображивание этого сахара происходит в аппаратах для хранения вина, куда поступает виноматериал после установки непрерывного брожения. Благодаря исключению периодов разбраживания и дображивания, производительность непрерывной установки, по сравнению с периодическим брожением, возрастает на 40%. Непрерывный процесс брожения полностью механизирован и автоматизирован. Кроме того, поточный способ дает возможность более эффективно и точно регулировать химический состав виноматериалов по содержанию азота, спирта, высших спиртов, альдегидов и других компонентов. Автоматически регулируя количество сусла, подаваемого в установках непрерывного действия, а также время его контакта с дрожжами, можно приготовить высококачественные виноматериалы для сухих, полусухих и крепких вин. Изменяя переток массы из аппарата в аппарат сверху вниз или снизу вверх, можно обеспечить накопление или вынос из установки дрожжей, которые позволят получить вина, обогащенные азотом (за счет продуктов автолиза дрожжей), пли со сниженным содержанием азотистых веществ. Качество полученных в потоке виноматериалов не хуже, чем при периодическом брожении сусла. Виноматериалы выходят из установки непрерывного действия здоровыми, с чистым ароматом и вкусом, хорошо осветленными. Брожение виноградного сусла в потоке рекомендуется проводить на сильных расах дрожжей вида Saccharoniyces vini, которые обеспечивают полное выбраживание сахара. 3 Сущность и основные стадии технологического процесса Технология виноградных вин состоит из таких основных стадий: - получение виноградного сусла; - обработка и выдержка вин. Все технологические схемы переработки винограда на сусло сводятся к двум основным способам: «по белому» способу и «по красному» способу. «По белому» способу переработка винограда как белых, так и окрашенных сортов осуществляется целыми гроздьями или с предварительным измельчением. Полученные виноматериалы имеют белый или розовый цвет. При переработке винограда любой окраски «по красному» способу виноматериалы имеют в основном красный или розовый цвет. Переработка винограда «по белому» способу предусматривает ряд приемов, которые исключают чрезмерный переход в сусло экстрактивных и красящих веществ кожицы, которые ухудшают качество белых вин. Этим способом получают белые натуральные вина, шампанские, коньячные и хересные виноматериалы. Свежий виноград должен быть переработан в течение 4 часов после его сбора, не позднее. Доставленный на завод виноград направляют на измельчение, в результате которого получают мезгу. От мезги отделяют сусло-самотек — ценнейшую фракцию, из которой получают высококачественные вина. Для полного выделения сусла мезгу прессуют на механических прессах, в результате получают сусло I, II и III фракций прессования. Сусло I фракции прессования полностью или частично направляется на производство марочных вин. Сусло II и III фракции прессования — на получение ординарных крепких вин. Полученное виноградное сусло осветляют путем отстаивания с целью удаления взвешенных частиц. В процессе отстаивания сусло обрабатывают диоксидом серы для предупреждения окислительных процессов и развития посторонних микроорганизмов. Осветленное и обработанное сусло направляют на сбраживание чистой культурой винных дрожжей при оптимальной температуре 14...18° С. В результате биотехнологических процессов брожения получают молодое вино. При переработке винограда на вино «по красному» способу стараются извлечь из твердых компонентов виноградной грозди как можно больше экстрактивных, красящих, фенольных и ароматических веществ. Для этого после измельчения винограда мезгу настаивают, проводят нагревание, спиртование и брожение на мезге при температуре 26...30о С. «Но красному» способу готовят красные натуральные вина, крепкие специальные вина (портвейн, мадера. марсала), все наименования десертных вин. некоторые марки розовых и желтых вин. Полученное «но красному» и «по белому» способу молодое вино направляется на выдержку, в процессе которой формируется вкус и букет, характерные для вина данного типа. При этом выпадают в осадок неустойчивые соединения и значительное количество микроорганизмов, вино осветляется и становится стойким к помутнениям. Для выдержки молодого вина применяют разные технологические емкости: деревянные бочки, большие металлические аппараты, бутылки. При выдержке в деревянных бочках между вином и воздухом происходит газообмен, а также экстракция вином из дерева фенольных и ароматических соединении, которые ускоряют созревание вина. В процессе выдержки вина проводят переливки и доливки. Цель переливок — отделить осветленный виноматериал от осадка и обеспечить доступ кислорода для формирования и созревания вина. Цель доливок — исключить образование над вином свободного воздушного пространства, которое может вызвать окисление ценных компонентов вина и развитие аэробных микроорганизмов. Крепкие вина доливают 2 раза в год, десертные — 1 раз в месяц, натуральные — не реже 1 раза в неделю. В бутылках проводят выдержку только коллекционных вин. Все вина, поступающие в торговлю, должны быть прозрачными и стабильными. Для придания винам этих свойств применяют разные виды обработки: физические, физикохимические, химические и биохимические. К физическим способам обработки относятся центрифугирование, фильтрование и термическая обработка. Физико-химический метод осветления и стабилизации вин предусматривает оклейку (добавка в вино желатина, рыбьего клея, яичного белка, казеина или бентонита и диоксида кремния). Оклейка вина ускоряет оседание мутных компонентов (белков, фенольных веществ, полисахаридов). Химическая обработка вина проводится с целью удаления из него избыточного содержания ионов металлов. Биохимическая обработка — применение ферментных препаратов пектолитического и иротеолитического действия. Для обеспечения кондиционности вин используют эгализацию, ассамбляж и купажирование. Эгализация — смешивание молодых вин одного сорта для обеспечения их однородности. Купажирование — смешивание вин из разных сортов винограда, вин разных типов, виноматериалов и других компонентов (спирта, вакуум-сусла). Ассамблирование — объединение малых партий готового вина в большие в пределах одного сорта, но полученных из винограда с разных виноградников. 4 Уксуснокислые и молочнокислые бактерии и их роль в виноделии Обычно поверхность виноградных ягод ко времени их созревания бывает обильно заселена не только дрожжами, но и бактериями. Однако развитие бактерий в сусле и вине ограничивается в связи с их высокой активной кислотностью, осмотическим давлением сахаров в сусле и спирта в вине. Поэтому в сусле и вине находятся только бактерии, способные развиваться при рН 2,5—4,5 и при концентрации спирта 12—18% об. Из всех известных групп бактерий существенную роль в виноделии играют молочнокислые и уксуснокислые бактерии, которые легко и быстро развиваются на поврежденных ягодах и, попав в сусло, при брожении сохраняются и развиваются в нем. Уксуснокислые бактерии. В настоящее время известно несколько видов и много рас уксуснокислых бактерий, развивающихся в вине. Родовое название, предложенное Бейеринком для уксуснокислых бактерий — Acetobacter, в настоящее время является почти общепринятым и вошло в определители бактерий. Бердже в своем определителе к роду Acetobacter относит 12 видов бактерий. Виды и расы уксуснокислых бактерий различаются между собой по степени накопления уксусной кислоты. Так, в крепких южных винах развиваются расы бактерий, переносящие высокие концентрации спирта и вырабатывающие больше уксусной кислоты. В малоспиртуозных винах развиваются менее сильные расы бактерий. Неодинаковым получается и качество уксуса; одни виды и расы сообщают уксусу приятный букет, а другие вырабатывают уксус низкого качества с неприятным запахом. Неблагоприятные условия для развития уксуснокислых бактерий (высокие концентрации спирта — 15—16% об., уксусной кислоты и других кислот—10—11%, высокая температура — в пределах 40°С) нарушают процессы роста и деления клеток бактерий, вследствие чего изменяются их формы и размеры. При этом появляются характерные для уксуснокислых бактерий инволюционные формы: клетки-гиганты — очень длинные, в десятки раз длиннее и значительно шире, чем нормальные особи, иногда длиной до 30—40 мкм, со вздутиями, шаровидные, колбовидные, нитевидные, изогнутые. Инволюционные формы уксуснокислых бактерий неподвижны и лишены жгутиков. Количество сильно измененных клеток обычно увеличивается при повышении концентрации уксусной кислоты в среде до 2—4,5%, при отклонении температуры и рН от оптимальных величин. Рисунок 1 – Acetobacter aceti (x 1000) Специальные методы окраски позволяют рассмотреть при микроскопировании внутри бактериальных клеток зернышки волютина, капли жира и нуклеоиды. Инволюционные формы содержат несколько нуклеоидов. Уксуснокислые бактерии размножаются чрезвычайно быстро. Их число удваивается через каждые 30 мин. Из одной бактериальной клетки в течение 12 ч может возникнуть 17 млн. особей. Несколько клеток бактерий, помещенных на поверхности вина, за короткое время образуют 300 млрд. клеток — слой в 1 м2, общая масса их составляет 1 г. Такое количество уксуснокислых бактерий в течение нескольких дней может превратить в уксусную кислоту 10 кг спирта, т. е. «переработать» количество спирта, в 10000 раз превышающее их собственную массу. Характерной чертой многих видов уксуснокислых бактерий является рост на поверхности питательной среды — образование пленки. Основной предпосылкой этого является относительная гидрофобность поверхности клеток и сцепление слоя клеток с открытой поверхностью среды на разных стадиях роста. При достижении достаточной толщины пленка опускается и начинает расти в глубине среды до тех пор, пока на поверхности не образуется новый слой, прекращающий доступ кислорода воздуха. Строение и внешняя форма пленки бактерий зависят от питательной среды и окружающих условий. Некоторые виды уксуснокислых бактерий образуют толстую пленку, другие тонкую, у одних она слизистая, у других — сухая. Общей особенностью пленки уксуснокислых бактерий является ее способность «всползать» на стенки стеклянной посуды. Потребность бактерий в питательных веществах и образуемые продукты обмена. Потребность уксуснокислых бактерий в основных питательных веществах — источниках углерода, азота и витаминов— неоднородна у различных видов. Все они хорошо используют в качестве единственного источника углерода глюкозу и другие моносахариды, многоатомные спирты и хуже растут в питательных средах, содержащих этиловый спирт и уксусную кислоту. Все уксуснокислые бактерии аминоавтотрофны, т. е. способны к синтезу аминокислот, основных из них, путем аминирования кетокислот. Они могут использовать азот в минеральной форме, однако неорганический азот усваивают при наличии необходимых источников углерода и витаминов. Выявлено, что некоторые виды уксуснокислых бактерий используют неорганический азот только тогда, когда в качестве источника углерода в среде присутствует глюкоза, а не этиловый спирт; другие — только при наличии в питательной среде необходимых им витаминов. Уксуснокислые бактерии, обитающие в субстратах, содержащих этиловый спирт и бедных другими органическими веществами, более приспособлены к использованию спирта. Они хорошо развиваются в синтетических средах с аммонийными солями и проявляют себя как ауксоавтотрофы, синтезируя все необходимые им вещества из уксусной кислоты, воды и минеральных солей. Наиболее типичными в такой потребности в питательных веществах являются Acetobacter aceti. Бактерии A. aceti, предпочитающие этиловый спирт и уксусную кислоту глюкозе и многоатомным спиртам, способные к синтезу всех необходимых им витаминов, быстро развивающиеся в средах с азотом в виде аммонийной соли, нашли широкое применение в производстве при скором (немецком) способе получения уксуса. Они окисляют спирт при рН 2,5—3,0, накапливая при этом до 10—11 % уксусной кислоты. Уксуснокислые бактерии синтезируют целлюлозу из различных монои дисахаридоз (арабинозы, ксилозы, рамнозы, глюкозы, фруктозы, галактозы, мальтозы, сахарозы, лактозы), из многоатомных спиртов (глицерина, эритрита, сорбита, маниита), из глюконовой, 2- и 5-кетоглюконовых кислот (рис. 2). A. xylinum в некоторых условиях образует целлюлозу при развитии за счет этилового спирта, уксусной, янтарной или Lяблочной кислот. Некоторые уксуснокислые бактерии синтезируют крахмалоподобные соединения, химическая природа которых не выяснена. Известно лишь, что бактериальные пленки на поверхности жидких питательных сред и колонии на суслоагаре определенных видов уксуснокислых бактерий при обработке йодом окрашиваются в синий цвет. Рисунок 2 – Acetobacter xylinum Электронная микрофотография. Клетку окружают синтезированные ею фибриллы целлюлозы (х24000) Давно известно образование уксуснокислыми бактериями слизистых веществ. Одни синтезируют из декстрина декстран, идентичный декстрану, синтезируемому Leuconostoc mesenteroides из сахарозы, другие из сахарозы — леван. Массовое развитие уксуснокислых бактерий, образующих слизистые вещества, вызывает; «тягучесть» жидкости. Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями в уксусную кислоту называется уксуснокислым брожением. Осуществляется оно только при доступе воздуха. В первой фазе этого процесса происходит окисление спирта в уксусную кислоту с промежуточным образованием уксусного альдегида, во второй — окисление уксусной кислоты до С02 и Н2О. Суммарно уксуснокислое брожение выражается следующим уравнением: Из 1% об. этанола образуется 1 г уксусной кислоты. При этом на граммолекулу окисляемого спирта освобождается энергии 489 кДж Большинство уксуснокислых бактерий, когда израсходован весь спирт и накопилось предельное количество уксусной кислоты, приостанавливающей их жизнедеятельность, способно к переокислению ее, т. е. расщеплению в присутствии кислорода воздуха на углекислый газ и воду по химическому уравнению СН3СООН + 202 = 2С02 + 2Н20. По мере разрушения уксусной кислоты условия для переокисления ее становятся более благоприятными, и оно усиливается. Переокисление уксусной кислоты в процессе производства уксуса может снижать производительность предприятий по выработке этого продукта. Разные виды и расы уксуснокислых бактерий обладают различной способностью как накопления, так и переокисления уксусной кислоты. Кислоты вина — пропионовая, масляная и муравьиная — не используются уксуснокислыми бактериями. Одноосновная молочная кислота и двуосновные — янтарная, яблочная и винная — в большей или меньшей степени могут окисляться до углекислоты и воды. Частично эти кислоты используются бактериями как источник углеродного питания. Молочнокислые бактерии. Молочнокислые бактерии, встречающиеся в виноделии, неподвижны, не образуют спор, положительно окрашиваются по Граму, не образуют пигмент, не восстанавливают нитраты в нитриты, характеризуются неактивной каталазой. В цитоплазме клеток обнаружены рибосомы диаметром до 15 нм, ядерный материал (нуклеоид), состоящий из тонких плотных нитей, отождествляемых с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) (рис. 3). Структура и состав клеток могут быть различными у молочнокислых бактерий отдельных видов. Некоторые палочковидные формы содержат в качестве включений зерна метахроматина. Рисунок 3 – Форма клеток молочнокислых бактерий. Электронно-микроскопические снимки: кокки – а – Leuconostoc oenos (x6000); б – Pediococcus cerevisiae (x5000); палочки – в – Lactobacillus casei (x8500); г – Lactobacillus brevis (x5500) Изучение процессов, вызываемых молочнокислыми бактериями в вине, должно проводиться после предварительного таксономического исследования и определения видовой принадлежности бактерий-возбудителей. Без таксономической идентификации бактерий даже тщательные технологические и биохимические исследования не смогут установить закономерностей в жизнедеятельности бактерий и воспроизвести их. Поэтому все работы в этой области прежде всего начинаются с изолирования из вин чистых культур молочнокислых бактерий и определения их вида. Род Lactobacillus. К роду молочнокислых бактерий Lactobacillus относятся грамположительные неветвящиеся палочки, неподвижные, не восстанавливающие нитратов в нитриты, не образующие каталазы, сбраживающие углеводы с образованием молочной кислоты. Они характеризуются сложными потребностями в источниках питания, слабой дыхательной активностью, незначительным воздействием на белки и жиры, относительно кислотоустойчивы (способны расти при рН 3,8 и ниже), развиваются в анаэробных условиях. Род Pediococcus. К роду Pediococcus относятся грамположительные, неспорообразующие, неподвижные кокки, располагающиеся единично, парами, кучками (см. рис. 36), тетрадами, но никогда цепочками; микроаэрофильные или анаэробные, часто требующие присутствия С02 для роста, образующие D (—) молочную кислоту или смесь кислот D (—) и L ( + ), не восстанавливающие нитраты и нитриты, не разжижающие желатину, в основном не образующие каталазу, гомоферментативные. Некоторые штаммы продуцируют слизь из сахарозы. В вине встречается вид Pediococcus cerevisiae — гомоферментативные кокки, не сбраживающие пентоз. Этот вид анаэробен и требует для своего роста присутствия углекислого газа. Всегда сбраживает глюкозу, фруктозу, маннозу, целлобиозу, трегалозу. Гомоферментативные кокки, сбраживающие пентозы, относятся к виду Pediococcus pentosaceus. Род Leuconostoc. Бактерии рода Leuconostoc относятся к гетероферментативным коккам, имеющим удлиненную яйцевидную форму; располагаются единично, парами или короткими цепочками. Особенностью лейконостоков является неспособность их образовывать из аргинина аммиак, как правило, они не имеют каталазы. При сбраживании углеводов наряду с молочной кислотой образуют С02, этиловый спирт и летучие кислоты; некоторые штаммы образуют маннит из фруктозы. Растут при температуре 10°С, но не при 45°С. На поверхности желатиновых, агаризованных сред молочнокислые бактерии образуют мелкие колонии, иногда без выраженного поверхностного роста. По данным О. К. Палладиной, палочковидные бактерии на средах, содержащих вещества с восстановительными свойствами, например с 0,2% цистеина, образуют типичные шероховатые формы колоний. У бактерий рода Leuconostoc найдены S-, О- и R-типы колоний. Физиология молочнокислых бактерий. Характерным признаком молочнокислых бактерий является отсутствие каталазы. Однако в последние годы появились сообщения об обнаружении каталазной активности у различных видов молочнокислых бактерий. Псевдокаталаза есть у штаммов некоторых видов родов Pediococcus, Leuconostoc, Lactobacillus. Протеолитическая активность установлена как у кокковых форм, так и у палочек и стрептобактерий, при этом палочковидные бактерии обладают большей активностью, чем кокковые формы. Обнаружены протеазы, разрушающие пептиды. В про изводстве важно использовать молочнокислые бактерии, образующие в больших количествах свободные аминокислоты. При подборе штаммов важно также отобрать такие, которые не образуют фракции пептидов с горьким вкусом . Липолитической активностью обладают штаммы многих видов молочнокислых бактерий кокковых и палочковидных форм. Препарат липазы, полученный из бесклеточных экстрактов L. brevis, довольно легко гидролизовал простые триглицериды. По биохимической деятельности молочнокислые бактерии в зависимости от характера продуктов сбраживания гексоз (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза), дисахаридов (лактоза, мальтоза, сахароза) и полисахаридов (декстрин, крахмал) делятся на гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии при брожении сахаров образуют в основном молочную кислоту и незначительные количества фумаровой и янтарной, летучих кислот, этилового спирта и углекислоты; гетероферментативные — наряду с молочной значительно большие количества уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа и других продуктов, используя на это до 50% сахаров. Единственно полезным процессом, который вызывается молочнокислыми бактериями в вине, является яблочно-молочное брожение в высококислотных винах. Разложение других составных частей, а так же яблочной кислоты в винах с нормальной или низкой кислотностью нежелательно и даже вредно. Совершенно безопасным для качества вина может быть такой процесс яблочно-молочного- брожения, при котором бактерии атакуют яблочную кислоту и не затрагивают других компонентов. 5 Плесневые грибы - вредители винодельческого промышленности К плесневым грибам (иногда их называют плесенями) относят микроскопические грибы-сапрофиты, питающиеся органическими веществами мертвых растительных остатков и образующие на их поверхности налеты разного цвета. В виноделии нашли применение ферментные препараты, обладающие пектопротеолитическим, целлюлолитическим и геми-целлюлазным действием, готовящиеся из плесневых грибов рода Aspergillus, которые ускоряют отделение сусла от мезги и осветление сусла, увеличивают его выход, интенсифицируют биохимические процессы, протекающие при созревании вин. В вине плесневые грибы не размножаются, но вино, налитое в тару с запахом плесени или укупоренное заплесневевшими пробками, приобретает плесневелый тон и становится испорченным. Обычно винодел принимает меры, предупреждающие появление плесени на различных объектах винодельческого производства, но мало знает о распространенных на винограде и вин-заводах видах плесневых грибо Наиболее часто на винограде встречаются плесневые грибы родов Aspergillus, Penicillium, Botrytis, Mucor, Sphaerulina. В годы с повышенной влажностью воздуха размножение плесневых грибов вызывает значительные потери урожая винограда и понижение его качества. Особенно сильно размножаются плесневые грибы на ягодах винограда, если после долгой засушливой погоды начинается дождливый период. При таком резком переходе на ягодах образуется большое количество трещин, через которые проникают споры грибов. Прорастая, споры образуют мицелий, и виноград плесневеет. В некоторых винодельческих районах, где, как правило, осенние дожди выпадают редко, раза два-три в десятилетие, бывают благоприятные погодные условия для так называемого «благородного гниения» винограда. В такие годы виноград рано созревает при достаточной, но не чрезмерной влажности и происходит заизюмливание ягод при умеренном развитии гриба Botrytis cinегеа. Мицелий гриба разрыхляет клетки кожицы, облегчает испарение воды. При дождливой погоде из поврежденных грибом ягод вымывается сахар и качество винограда снижается, а при солнечной и сухой осенней погоде Botrytis cinerea способствует испарению воды из ягод винограда и повышению концентрации сахара в соке до 40% и более. В отличие от плесневых грибов других родов Botrytis потребляет в первую очередь органические кислоты, а не сахара. Поэтому при повышении концентрации сахара в ягодах, происходящей от испарения воды, в них не наблюдается увеличения кислотности. Содержание пектиновых и фенольных веществ, а также общего азота уменьшается в зависимости от степени размножения Botrytis cinerea. Ботритис образует еше вещества, названные «ботритицином», обладающие антибиотической активностью в отношении дрожжей. В соке, полученном из винограда, пораженного грибом, образуется меньшая масса дрожжей и задерживается брожение. Ускорить брожение такого сусла можно сульфитацией (введением 50 мг/л SО2) или продолжительным нагреванием до 120О С. В винограде, пораженном грибом В. cinerea, образуется много оксидаз, вызывающих впоследствии побурение в белых столовых винах. Чем больше виноград поражен плесневым грибом, тем больше связанной и меньше свободной сернистой кислоты получается при сульфитации сусла. Поэтому чем больше степень поражения винограда, тем большую дозу сернистого ангидрида нужно вводить в сусло. Так, если для сусла из винограда, пораженного плесневым грибом на 10%, для инактивации оксидаз достаточна доза сернистого ангидрида 150 мг/л, то для сусла из винограда, пораженного плесневым грибом на 40%, необходима уже доза сернистого ангидрида 250 мг/л. Таким образом, размножение гриба Botrytis cinerea на винограде бывает полезным только в редкие годы в определенных винодельческих районах для выработки вин особого типа. Во всех остальных случаях размножение на винограде плесневых грибов всех родов снижает его качество. Sphaerulina intermixta при размножении в виноградном соке может превратить сок в слизистую массу с содержанием спирта около 2% об. В вине этот гриб не размножается, так как при содержании спирта свыше 2% об. его жизнедеятельность прекращается. Гриб часто встречается в слизистом налете на стенах подвалов, на бочках. 1 Сущность технологического процесса В хлебопекарном производстве микроорганизмы играют двоякую роль: дрожжи и молочнокислые бактерии специально используются для приготовления теста, а микроорганизмы, попадающие с сырьем, из внешней среды, являются вредителями. Они снижают качество сырья, вызывают нарушение хода технологического процесса и порчу готовой продукции, могут стать причиной пищевых отравлений. Основными видами сырья хлебопекарного производства являются пшеничная и ржаная мука, вода, дрожжи, соль. Дополнительными компонентами сырья служат улучшители — сахар, жиры, яйца, патока, солод, ферментные препараты, молочная сыворотка, молоко, изюм, мак, орехи, варенье и различные пищевые добавки. Технологический процесс производства хлеба всех сортов включает следующие стадии: подготовка сырья, замес теста, брожение теста, разделка, формование, расстойка тестовых заготовок, выпечка хлеба, его охлаждение, хранение и транспортирование. Подготовка сырья начинается с просеивания муки и очистки ее от металлических примесей на складах. Одновременно ведут подготовку и других компонентов для теста. Соль растворяют в воде в специальных аппаратах — солерастворителях, а затем фильтруют. Сахарный раствор готовят в сахарорастворителях. В последнее время многие заводы готовят сахаро-солевой раствор концентрацией 65—70%, в котором содержание соли составляет 2—2,5% от массы сухого сахара и в таком виде его хранят и используют в производстве. 70%-ный сахаро-солевой раствор не кристаллизуется даже при 17°С, тогда как раствор сахара без соли такой же концентрации может храниться только при 38 °С. Предприятия хлебопекарной промышленности используют и жидкий сахар (при близком расположении сахарных заводов). Компоненты-улучшители (молочные продукты, жиры и др.) освобождают от примесей, яйца — от скорлупы, проверяют их качество. Подготовку этих компонентов осуществляют в отдельном помещении и в специальной аппаратуре. К улучшителям качества пшеничного и ржаного хлеба относятся также ферментные препараты грибного происхождения. В хлебопечении издавна применяли солод— искусственно пророщенное зерно различных злаков, преимущественно ячменя. При проращивании в зерне образуются амилолитические, протеолитические и другие ферменты. В настоящее время применяют ферментные препараты, полученные с помощью мицелиаль-ных грибов — амилоризин, содержащий амилолитические, протеолитические ферменты, фосфатазу, декстриназу и др.; амилосубтилин бактериального происхождения, образуемый сенной палочкой, содержащий комплекс амилолитических и протеолитических ферментов; мультиэнзимную композицию, содержащую смесь препаратов грибного (амилоризин) и бактериального (амилосубтилин, протосубтилин) происхождения. Ферментные препараты являются более эффективными и дешевыми улучшителями качества хлеба, чем солод. Расход этих препаратов составляет десятые, а иногда и тысячные доли процента от массы муки. При их использовании увеличивается объем, пористость, ускоряется созревание теста, интенсифицируются процессы брожения и размножения дрожжей в полуфабрикатах, улучшается вкус и аромат изделий, продлевается срок хранения хлеба в свежем виде, к тому же дрожжей требуется на 20% меньше. Дрожжи и закваски готовят в дрожжевом отделении, расположенном над тестомесильным отделением. Затем они и остальные подготовленные компоненты подаются через дозирующие устройства в тестомесильное отделение, где расположены тестомесильные машины. Замес теста — важнейшая технологическая операция, от которой в значительной степени зависит дальнейший ход технологического процесса и качество хлеба. При замесе теста из муки, воды, дрожжей, соли и других компонентов получают однородную массу определенной структуры, в которой сразу же начинают происходить физические, коллоидные, химические и биохимические процессы, тесно взаимодействующие между собой. При нормальном их протекании в дальнейших технологических операциях тесто хорошо перерабатывается, происходит его созревание и разрыхление. Главная роль в этих процессах принадлежит дрожжам-сахаромицетам и гетероферментативным молочнокислым бактериям. Они, особенно дрожжи, являются биохимическими разрыхлителями теста. Под влиянием жизнедеятельности дрожжей и молочнокислых бактерий происходит сбраживание сахаров теста (опары) с образованием СО2, который придает тесту пористую структуру. Для накопления достаточного количества СО2 в полуфабрикатах необходима отлежка теста после замеса в течение 60 мин и более. Диоксид углерода в конце брожения почти полностью удаляется, но пористая структура полуфабриката сохраняется. 2 Основные производстве микроорганизмы, использующиеся в хлебопекарном Для производства прессованных хлебопекарных дрожжей используют различные расы дрожжей-сахаромицетов вида Saccharomyces cerevisiae (Л-1, ЛВ-7, ЛК-14, ЛТ-17) и гибриды 608, 616, 722, 739 (рис. 1). По характеру брожения — это верховые дрожжи; при брожении они долго не опускаются на дно и частично поднимаются на поверхность бродящей жидкости в виде пены. Эти расы имеют крупные клетки, которые быстро размножаются в мелассной питательной среде, стойкие при хранении в прессованном и сушеном виде, обладают высокой ферментативной (мальтазной и зимазной) активностью. Рисунок 1 – Хлебопекарные дрожжи: а – раса Томская; б – раса ЛДБ-XI Мальтазная активность — это время (в мин), необходимое для выделения 10 мл СО2 при сбраживании 10—20 мл 5%-ного раствора мальтозы при 30°С дрожжами, взятыми в количестве 2,5% к объему среды. Этот показатель не включен в ГОСТ на хлебопекарные дрожжи, но при подборе рас дрожжей для производства этот показатель обязательно учитывается. Мальтазная активность характеризует способность дрожжей гидролизовать мальтозу муки и зависит от присутствия в дрожжах фермента мальтазы. Мальтоза — основной сахар теста, она с большим трудом сбраживается дрожжами и более медленно, чем другие сахара, так как дрожжи содержат сравнительно мало мальтазы. Мальтазная активность дрожжей хорошего качества должна быть не более 100 мин. Зимазная активность — это время (в мин), необходимое для выделения 10 мл СОг при сбраживании 10—20 мл 5%-ного раствора глюкозы при 30 °С дрожжами, взятыми в количестве - 2,5% к объему среды. Зимазная активность дрожжей хорошего качества должна быть не более 60 мин. Подъемной силой называется период времени, выраженный в минутах, в течение которого тесто, замешенное на испытуемых дрожжах, поднимается до определенного уровня в формочке. Производственные расы, используемые для получения сушеных дрожжей кроме перечисленных выше свойств должны обладать устойчивостью к высушиванию. Технология изготовления теста из пшеничной и ржаной муки и комплекс микроорганизмов, участвующих в этих процессах, различны. Микроорганизмы, используемые для получения теста из пшеничной муки. Для его изготовления применяют хлебопекарные прессованные или сушеные дрожжи, а также жидкие дрожжи и жидкие пшеничные закваски, изготовляемые непосредственно на хлебозаводах. Некоторые заводы используют смесь прессованных и жидких дрожжей. Хлебопекарные дрожжи должны быть устойчивы к высоким концентрациям соли (до 3—4%) и сахара в тесте, хорошо размножаться при оптимальных значениях рН 4,5—5 и при повышенной температуре (26—28°С), обладать высокой бродильной энергией (мальтазной и зимазной активностью), так как в тесте из пшеничной муки при брожении накапливается в основном сахар мальтоза. Образующийся при энергичном брожении диоксид углерода разрыхляет тесто, и оно увеличивается в объеме. Кроме диоксида углерода и спирта дрожжи накапливают ряд продуктов брожения (ацетоин, диацетил, эфиры и др.), придающих приятный вкус и аромат хлебу. Прессованные дрожжи. Применяют для выпечки сдобных и булочных изделий из муки высшего и первого сортов. Отдельные предприятия используют их для выработки пшеничного хлеба из муки второго сорта. Вместо прессованных дрожжей на хлебозаводах используют также дрожжевое молоко с содержанием прессованных дрожжей 500—600 г в 1 л или сушеные дрожжи. Сушеные дрожжи перед использованием размачивают в воде и активируют, т. е. приводят клетки дрожжей в жизнеспособное состояние. Сушеные дрожжи используются в основном в отдаленных районах, куда затруднена доставка прессованных. Жидкие дрожжи. Значительное количество хлеба из пшеничной муки высшего, первого и второго сортов, а также ржано-пшеничной муки выпекают с применением жидких дрожжей. Они особенно хорошо зарекомендовали себя при использовании муки с пониженными хлебопекарными свойствами. Эти дрожжи имеют высокую мальтазную активность. Каждый хлебозавод готовит жидкие дрожжи только для своих нужд. По рациональной схеме в качестве питательной среды для размножения дрожжей используют пшеничную муку второго сорта, предварительно заваренную горячей водой и осахаренную ферментами солода или ферментным препаратом (амилоризином) грибного происхождения. В результате осахаривания крахмал муки превращается преимущественно в мальтозу, которая под влиянием фермента мальтазы превращается в глюкозу. Глюкоза затем подвергается спиртовому и молочнокислому брожению. Полученную после осахаривания среду (заварку) заквашивают с помощью чистой культуры гомоферментативных термофильных молочнокислых бактерий — палочки Дельбрюка (Lactobacillus delbrueckii) штаммы 30, 31, 30-1, 30-2, Ленинградский76 или штамм «Энергичный» Э-1. Температурный оптимум для кислотообразования у этих штаммов 48—52 °С. Размножаясь, бактерии быстро повышают кислотность среды, тем самым создают условия, благоприятные для развития дрожжей и подавляющие жизнедеятельность посторонних микроорганизмов, имеющихся в тесте. Затем в эту закваску вводят дрожжи, они медленно размножаются, сбраживают сахара, а жизнедеятельность термофильных молочнокислых бактерий прекращается и дальнейшего нарастания кислотности не происходит. Таким образом, жидкие дрожжи — это активная культура дрожжей, выращенных на предварительно осахареннои и заквашенной термофильными молочнокислыми бактериями мучной заварке. В качестве чистых культур для приготовления жидких дрожжей применяют различные расы, выделенные ранее из жидких заквасок или жидких дрожжей на хлебозаводах: Московская-23 и гибриды 5, 69, 512. Все они относятся к виду S. cerevisiae. Жидкие пшеничные закваски. Это активная культура дрожжей, также выращенных на предварительно осахареннои и заквашенной мучной заварке, но, в отличие от жидких дрожжей, заквашивание осуществляется не термофильными, а мезофильными молочнокислыми бактериями. Оптимальной температурой для кислотообразования является 28—32 °С. Закваска состоит из чистых культур гемоферментативных бактерий Lactobacillus plantarum (штамм AG) или гетерофер ментативныхкультур L. brevis (штаммы В8 и В27) и дрожжей расы Ленинградская-90. Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с кислотами, способствующими улучшению вкуса и аромата хлеба, образуют диоксид углерода и также участвуют в разрыхлении теста. По схеме Казгипропищепрома используется мезофильн'ый штамм гетероферментативных мо лочнокислых бактерий L. fermentum Пшеничный хлеб, изготовленный на жидких дрожжах и жидких заквасках, имеет не только более приятный вкус, но реже подвергается тягучей болезни и медленнее черствеет по сравнению с хлебом, изготовленным на прессованных дрожжах. В нем имеется очень незначительное количество молочнокислых бактерий, попадающих с мукой, и их участие в созревании теста незначительно. Микроорганизмы, используемые для получения теста из ржаной муки. Ржаной хлеб готовят на жидких и густых заквасках. Они, как и закваски для пшеничного хлеба, содержат смешанные культуры дрожжей и молочнокислых бактерий. В этих заквасках соотношение молочнокислых бактерий и дрожжей составляет 80:1 (в заквасках для пшеничного теста — 30:1), следовательно, ведущая роль при созревании ржаного теста принадлежит молочнокислым бактериям. Хороший по вкусу и аромату ржаной хлеб получают при совместном применении гомо- и гетероферментативных культур молочнокислых бактерий. Разрыхление ржаного теста происходит при участии гетероферментативных молочнокислых бактерий и дрожжей. Жидкие закваски готовят на осахаренной жидкой среде из ржаной муки с применением чистых культур двух видов дрожжей-сахаромицетов —S. cerevisiae (раса Ивановская или смешанные культуры рас Ленинградская-90, Берлинская-14, Щелковская4, Краснодарская и др. и S. Minor (рис.2). Дрожжи S. minor обладают более низкой бродильной активностью, чем S. cerevisiae, но отличаются большей кислотоустойчивостью. Рисунок 2 – Дрожжи Saccharomyces minor В состав жидких заквасок входит довольно широкий набор различных штаммов гомоферментативных молочнокислых бактерий вида L. plantarum и гетероферментативных, относящихся к видам L. brevis и L. fermentum (рис. 3). Технологические схемы приготовления жидких заквасок для ржаного теста предусматривают определенные комбинации чистых культур этих рас и штаммов дрожжей и молочнокислых бактерий. Рисунок 3 – Молочнокислые бактерии жидких заквасок: а – Lactobacillus plantarum; б – Lactobacillus fermentum Для густых заквасок в качестве возбудителей спиртового брожения применяют три штамма дрожжей S. minor — штамм 12/17, штамм 7 и Чернореченский, а также вводят смесь чистых культур молочнокислых бактерий L. plantarum и L. brevis. Высокая кислотность ржаного теста (рН 4,2—4,3) препятствует развитию в тесте и хлебе возбудителей тягучей болезни. Жизнедеятельность дрожжей и молочнокислых бактерий начинается на стадии замеса теста, достигает наибольшей активности в стадии брожения (созревания) теста, в последующих стадиях (разделке и расстойке) их активность несколько ослабевает, а при выпечке совсем прекращается и они погибают под воздействием высокой температуры. 1 Виды продукции молокоперерабатывающей промышленности – молочнокислые напитки, сыр, йогурт, кумыс, шубат Для процессов ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов молочнокислых грибков и молочнокислых бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не удалось, поэтому поддерживается культура, выделенная из природных источников. При подборе культур для заквасок придерживаются следующих требований: - состав заквасок зависит от конечного продукта (например, для получения ацидофилина используется ацидофильная палочка, для производства простокваши молочнокислые стрептококки); - штаммы должны отвечать определенным вкусовым требованиям; - продукты должны иметь соответствующую консистенцию, от ломкой крупитчатой до вязкой, сметанообразной; - определенная активность кислотообразования; - фагорезистентность штаммов (устойчивость к бактериофагам); - способность к синерезису (свойству сгустка отдавать влагу); - образование ароматических веществ; - сочетаемость штаммов (без антагонизма между культурами); - наличие антибиотических свойств, т.е. бактериостатическое действие по отношению к патогенным микроорганизмам; - устойчивость к высушиванию. Классификация кисломолочных продуктов в зависимости от используемой закваски. В зависимости от состава микрофлоры заквасок и способа приготовления кисломолочные продукты делят на следующие группы: - Вырабатываемые с использованием многокомпонентных заквасок (кефир, кумыс). Микрофлора этой группы продуктов состоит из молочнокислых бактерий (одного или нескольких видов), дрожжей и нередко уксуснокислых бактерий. Дрожжи и уксуснокислые бактерии придают продуктам специфические вкус и аромат. При производстве кефира применяют естественную симбиотическую закваску – кефирные грибки, состоящие из молочнокислых бактерий Lactobacillus, дрожжей Saccharomyces kefir и некоторых видов стрептококков. Кумыс получают из кобыльего молока с помощью молочнокислых бактерий (Lactobacillus casei и др.), стрептококков и дрожжей, сбраживающих лактозу. Сквашивание молока при использовании таких заквасок проводят при 20-22 С в течение 10-12 часов. - Вырабатываемые с использованием мезофильных молочнокислых стрептококков (творог, сметана, простокваша обыкновенная). Основными представителями микрофлоры таких продуктов являются молочнокислые стрептококки: Streptococcus lactis, Streptococcus acetoinicus, Streptococcus cremor is, Streptococcus diacetylactis. Сквашивание молока происходит через 6-8 часов при 30 С. - Изготовляемые с применением термофильных молочнокислых бактерий (ряженка, варенец, йогурт, простокваша Южная, Мечниковская). Для приготовления этих кисломолочных продуктов используют смесь молочнокислых бактерий (10:1) Streptococcus thermophillus и Lactobacillus bulgaricus (болгарская палочка). Заквашивание молока этими бактериями проводят при 40-42 С в течение трех часов. Вырабатываемые с применением термофильных и мезофильных молочнокислых бактерий (любительская сметана, сметана с пониженным содержанием жира, напитки «Любительский» «Юбилейный», «Русский»). Основными представителями микрофлоры таких продуктов являются мезофильные и термофильные молочнокислые стрептококки. Температура сквашивания молока при использовании смешанных заквасок - 33-38 С. - Приготовляемые с использованием ацидофильных бактерий и бифидобактерий: ацидофильное молоко, афидофилин, бифидопродукты – продукты лечебнопрофилактического питания. В состав микрофлоры этих продуктов входят: Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus lactis, Str eptococcus thermophillus с добавлением кефирной закваски; Bifidobacterium bifidum и др. Йогурт. Это один из древнейших продуктов, получаемых путем ферментации. После термообработки молоко заквашивают добавлением 2-3 % закваски йогурта. Температура при брожении поддерживается около 40 ºС. Главную роль здесь играют бактерии Streptococcus thermophillus и Lactobacillus bulgaricus. Для получения желаемой консистенции продукта, вкуса и запаха эти организмы должны содержаться в культуре приблизительно в равных количествах. Кислоту в начале заквашивания образует в основном Streptococcus thermophillus. Смешанные закваски нужно часто обновлять, поскольку повторные пересевы неблагоприятно сказываются на соотношении видов и штаммов бактерий: в них начинает доминировать Lactobacillus bulgaricus. Своим характерным вкусом йогурт обязан молочной кислоте, получаемой из лактозы молока, и ацетальдегиду. Оба этих вещества вырабатывают Lactobacillus bulgaricus. Сброженная пахта. Сброженный продукт получают из свежей пахты, а чаще из снятого молока путем добавления закваски, используемой при производстве масла. Эта закваска представляет собой смесь молочнокислых стрептококков (Streptococcus lactis или Streptococcus cremoris) и образующих ароматические вещества бактерий (Leuconostoc citrovorum и Leuconostoc dextranicum). И те, и другие микроорганизмы нужны для формирования полноценного вкуса и запаха пахты; стрептококки при этом доминируют. Роль молочнокислых стрептококков в закваске заключается в образовании молочной кислоты (она дает желаемый кисловатый вкус), свертывании молока и снижении рН до значений, при которых образующие ароматические вещества бактерии синтезируют наибольшее количество летучих кислот. Сметана. Ее готовят почти так же, как сброженную пахту. К пастеризованным сливкам добавляют 0,5-1 % закваски, используемой при производстве масла (молочнокислые бактерии). Далее продукт выдерживают, пока концентрация кислоты не достигнет 0,6 %. Бифидопродукты. Бифидопродукты представляют группу продуктов лечебнопрофилактической направленности и относятся эубиотикам (биологически активным добавкам, обеспечивающим нормальный состав и функциональную активность микрофлоры кишечника). В большинстве бифидопродуктов используются бактерии вида Bifidobacterium bifidum. Ассортимент бифидопродуктов: - бифидокефир – вырабатывается на цельном или обезжиренном молоке с использованием кефирного грибка и закваски бифидобактерий или бактериального концентрата бифидобактерий; - бифидойогурт или биойогурт – вырабатывается на цельном молоке с использованием заквасок на ацидофильной или болгарской палочках, термофильном стрептококке и обогащением закваской бифидобактерий или бактериальным концентратом бифидобактерий; - бифидосметана или биосметана – вырабатывается на сливках с использованием заквасок на молочнокислых бактериях и обогащением закваской или бактериальным концентратом бифидобактерий; - бифилин – вырабатывается из натурального коровьего молока путем сквашивания чистой культурой бифидобактерий, способных подавлять условнопатогенную микрофлору кишечника. Диетические свойства кисломолочных продуктов. Кисломолочные продукты являются продуктами массового потребления, хотя обладают диетическими, а иногда и лечебными свойствами. Еще в конце 19 в. И.И. Мечников обратил внимание на важность нормальной деятельности микрофлоры, а в случае нарушения – на необходимость ее восстановления с помощью молочнокислых бактерий Lactobacillus acidophilus, предотвращающих развитие чужеродных микробов. Диетическими свойствами также обладают бактерии рода Bifidobacterium. Некоторые продукты жизнедеятельности микроорганизмов обладают биологической активностью: например, витамины, антибиотики. Кисломолочные продукты, воздействуя на секреторную функцию желудка, возбуждают аппетит и способствуют быстрому выделению ферментов, которые ускоряют процесс переваривания пищи, нормализуют деятельность кишечника и благоприятно воздействуют на нервную систему. Диетические свойства кисломолочных продуктов, кроме того, объясняются их легкой усвояемостью за счет частичного распада белков молока. Новые продукты. Известно, что некоторые люди не переносят лактозу; для них можно выпускать молоко, обработанное -галактозидазой – ферментом, который уменьшает содержание лактозы. Для этой цели нужно разработать недорогой промышленный способ производства такого молока. -галактозидазу получают из дрожжей, плесневых грибов и бактерий. 2 Общая характеристика молочнокислых бактерий, лактозосбраживающих дрожжей и смешанных культур микроорганизмов, использующихся в молокоперерабатывающих производствах Микроорганизмы, входящие в состав заквасок, используемых для получения кисломолочных продуктов. Применяющиеся в производстве кисломолочных продуктов культуры живых бактерий могут являться одним штаммом определенного вида (культуры моноштаммов), либо несколькими штаммами и/ или видами (смешанные культуры). Коммерческие культуры-закваски состоят из бактерий, образующих молочную кислоту и пахучие вещества (то есть условно делятся на 2 категории – кислотообразующую и ароматообразующую). В таблице 1 перечислены некоторые виды бактерий, используемых при производстве молочных продуктов методом ферментации, указана их роль в этих процессах, а также получаемые продукты. Выбор и состав используемых комбинаций из этих штаммов и видов бактерий определяются желаемыми свойствами и условиями получения продуктов, например, скоростью образования молочной кислоты. Например, Streptococcus lactis энергичный кислотообразователь, сбраживает глюкозу по гомоферментативному типу, то есть накапливает в результате брожения преимущественно молочную кислоту (предельная кислотность в молоке – 100-120 оТ). Оптимальная температура + 30 оС, не растет при 45 оС, некоторые штаммы растут при 41 оС. Растет при концентрации поваренной соли до 5,5 %. Streptococcus cremoris также относится к гомоферментативной кислотообразующей микрофлоре закваски, однако имеет некоторые особенности. В результате жизнедеятельности клеток этого вида образуется более нежный сгусток, способный при обработке удерживать больше сыворотки, чем желательно, например, при получении сыра (может получиться сыр с более нежной консистенцией). Микроорганизмы данного вида сильно ингибируются при температуре 40 оС. Недостатком является большая чувствительность к поваренной соли и присутствию ингибирующих веществ в молоке. Streptococcus lactis subsp. diacetilactis – представитель гетероферментативных молочнокислых микроорганизмов (предельная активная кислотность 4,7-5,0 ед. рН). Оптимальная температура + 20-26 оС, некоторые штаммы растут при 37 оС, пределы роста + 10-36 оС. Растет при концентрации поваренной соли 3,0 %. При сбраживании этими микроорганизмами молочного сахара образуется не только молочная кислота, но и значительное количество летучих жирных кислот, углекислого газа, ацетоина, диацетила, обеспечивающих формирование аромата и рисунка в сырах. аромата и рисунка в сырах. Таблица 1 - Функциональная роль некоторых бактерий, используемых при переработке молока Культура Функция Область применения Propionibacterium Образование вкуса, Производство P. shermaii образование глазков швейцарского сыра P. petersonii Lactobacillus Созревание, закваска L. casei швейцарского сыра, L. helveticus Образование кислоты производство сыров типа L. lactis швейцарского L. bulgaricus Производство йогурта Leuconostoc Образование вкусовых Производство сметаны, L. dextranicum веществ из лимонной сливочного масла, L. citrovorum кислоты (главным заквасок образом, диацетила) Streptococcus Производство йогурта и S. thermophillus Образование кислоты швейцарского сыра, S. lactis закваски для сыров S. cremoris Streptococcus thermophillus – гомоферментативный молочнокислый стрептококк умеренной кислотообразующей способности (предельная активная кислотность равна 4,0-4,5 ед.). Оптимальная температура + 40-45 оС, некоторые штаммы растут при 50 оС, но никогда не растут при 53 оС, нижний предел роста 20 оС. Может выдерживать нагревание при 65 оС в течение 30 минут. Lactobacillus helveticus – сбраживает лактозу по гомоферментативному типу, очень сильный кислотообразователь (предельная кислотность в молоке – 300-350 оТ – более 2 % молочной кислоты). Оптимальная температура + 40-42 оС, не растет при 15 оС, max + 50-53 оС. Lactobacillus lactis – гомоферментативный микроорганизм, более о слабый кислотообразователь (до 300 Т – около 1,6 % молочной кислоты). Оптимальная температура + 40-43 оС, не растет при 15 оС, max + 50-52 оС. Lactobacillus plantarum - гомоферментативная молочнокислая палочка, обладает очень слабой кислотообразующей способностью (предельная кислотность в молоке – 140-150 оТ ). Некоторые штаммы не свертывают, а только подкисляют молоко. Оптимальная температура + 30-35 оС, не растет при 45 оС, пределы +15-40 оС. Lactobacillus fermentum - гетероферментативная молочнокислая палочка. о Практически не свертывает молоко. Оптимальная температура + 30-35 С, не растет при 15 оС, растет при 45 оС. Интенсивные исследования в области селекции микроорганизмов с использованием методов генной инженерии позволили разработать стандартизованные чистые культуры с четко определенными свойствами. Разрабатывают концентрированные культуры, использование которых не требует наличия заквасочного помещения и заквасочного оборудования на предприятии, специально обученного обслуживающего персонала. При производстве сметаны, творога или сыра такие концентраты вносят непосредственно в ванну или резервуар с молоком, сливками или нормализованной смесью. 3 Сущность и основные стадии технологического процесса Процессы, протекающие при ферментации молока. Получение молочных продуктов в пищевой промышленности построено на процессах ферментации. Основой биотехнологии молочных продуктов является молоко. Молоко (секрет молочных желез) - уникальная естественная питательная среда. Она содержит 82-88% воды и 12-18% сухого остатка. В состав сухого молочного остатка входят белки (3,03,2%), жиры (3,3-6,0%), углеводы (молочный сахар лактоза - 4,7%), соли (0,9-1%), минорные компоненты (0,01%): ферменты, иммуноглобулины, лизоцим и т.д. Молочные жиры очень разнообразны по своему составу. Основные белки молока альбумин, казеин. Благодаря такому составу молоко представляет собой прекрасный субстрат для развития микроорганизмов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и молочнокислые бактерии. Путем использования реакций, которые сопутствуют главному процессу сбраживания лактозы получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и т.д. Свойства конечного продукта зависят от характера и интенсивности реакций ферментации. Те реакции, которые сопутствуют образованию молочной кислоты, определяют обычно особые свойства продуктов. Например, вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, находящиеся в молоке. Все технологические процессы производства продуктов из молока делятся на две части: 1) первичная переработка - уничтожение побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка. Первичная переработка молока включает в себя несколько этапов. Сначала молоко очищается от механических примесей и охлаждается, чтобы замедлить развитие естественной микрофлоры. Затем молоко сепарируется (при производстве сливок) или гомогенизируется. После этого проводят пастеризацию молока, при этом температура поднимается до 80оС, и оно закачивается в танки или ферментеры. Вторичная переработка молока может идти двумя путями: с использованием микроорганизмов и с использованием ферментов. С использованием микроорганизмов выпускают кефир, сметану, творог, простокваши, казеин, сыры, биофруктолакт, биолакт, с использованием ферментов пищевой гидролизат казеина, сухую молочную смесь для коктейлей и т.д. При внесении микроорганизмов в молоко лактоза гидролизуется до глюкозы и галактозы, глюкоза превращается в молочную кислоту, кислотность молока повышается, и при рН 4-6 казеин коагулирует. Рассмотрим более подробно процессы ферментации (сквашивания) молока. В пищевой промышленности ферментацию применяют для получения большого ассортимента кисломолочных продуктов. Главным процессом является молочнокислое брожение, вызываемое стрептококками и молочнокислыми бактериями, при котором лактоза (молочный сахар) превращается в молочную кислоту. Путем использования иных реакций, которые сопутствуют главному процессу или идут при последующей обработке, получают такие продукты переработки молока, как пахта, сметана, йогурт и сыр. Свойства конечного продукта зависят при этом от характера и интенсивности реакции ферментации. Те реакции, которые сопутствуют основному процессу образования молочной кислоты, обычно и определяют особые свойства продуктов. Так, именно вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В некоторых таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, присутствующие в продуктах. В молоке при ферментации могут протекать шесть основных реакций; в результате образуется молочная, пропионовая или лимонная кислота, спирт, масляная кислота или же происходит колиформное газообразование. Как сказано выше, главная из этих реакций – молочнокислое брожение. На нем основаны все способы сквашивания молока. Лактоза молока гидролизуется при этом с образованием галактозы и глюкозы. Обычно галактоза превращается в глюкозу еще до сквашивания. Имеющиеся в молоке бактерии преобразуют глюкозу в молочную кислоту. Образование сгустка казеина происходит в изоэлектрической точке этого белка (рН = 4,6) под действием молочной кислоты. Молочнокислое брожение бывает гомоферментативным и гетероферментативным. При гомоферментативном брожении основным продуктом является молочная кислота. При гетероферментативном брожении образуются диацетил (придающий вкус сливочному маслу), спирты, эфиры, летучие жирные кислоты. Одновременно идут протеолитические и липолитические процессы, что делает белки молока более доступными и обогащает дополнительными вкусовыми веществами. При производстве швейцарского сыра ключевую роль играет маслянокислое брожение с образование углекислого газа. Именно оно обуславливает своеобразный вкус (букет) этих сыров и образование глазков. Характерный вкус пахты, сметаны и сливочного сыра формируется в результате лимоннокислого брожения. Он складывается из составляющих вкусов диацетила, пропионовой и уксусной кислот и других, близких к ним, соединений. Молочные продукты, полученные на основе спиртового брожения, мало известны в Европе и Америке. Такой тип брожения нашел применение при переработке молока в России, но при производстве других продуктов он считается нежелательным. Обычно рост вызывающих его дрожжей (Torula) стараются подавить. Нежелательны также маслянокислое брожение и колиформное газообразование. Различные процессы ферментации молока проводят сегодня в контролируемых условиях. В течение тысячелетий они осуществлялись при участии бактерий, изначально присутствующих в молоке. В наше время для этого используют разнообразные закваски, позволяющие получать молочные продукты нужного качества и типа. Цеховые и заводские микробиологические лаборатории, а также отраслевые научно-исследовательские институты постоянно следят за чистотой и качеством заквасок. 1 Микроорганизмы – продуценты молочной, уксусной, лимонной, яблочной, итаконовой и других органических кислот, применяющихся в пищевой промышленности Микробиологическим путем из углеводов, спиртов или даже углеводородов можно получить различные органические кислоты — уксусную, молочную, лимонную, янтарную, итаконовую, фумаровую, глюконовую, а-кетоглутаровую и др. Продуцентами этих кислот могут быть бактерии, плесневые грибы или дрожжи. Микроорганизмы, продуцирующие молочную кислоту, а также вызывающие спиртовое брожение, в ходе эволюции приспособились к анаэробному образу жизни. Уксусная и лимонная кислоты в свою очередь образуются в аэробных условиях. По-видимому, кислоты играют определенную роль в борьбе с конкурирующей микрофлорой, а также являются резервными источниками углерода. Так, Aspergillus niger после использования сахара могут использовать в качестве субстрата лимонную кислоту. В свою очередь уксуснокислые бактерии при отсутствии спирта в среде ассимилируют уксусную кислоту, окисляя ее до воды и СО2. Уксусная кислота и уксус. Уксусом называется 5—9%-ный раствор уксусной кислоты СНзСООН в воде. Он был обнаружен в кислом вине раньше, чем уксусная кислота. Позже уксус начали получать, сбраживая спиртовой раствор при помощи особых уксуснокислых бактерий (Bacterium schutzenbachi, Bact. curvum). В результате перегонки перебродившего раствора получают 70—80%-ный раствор уксусной кислоты — уксусную эссенцию. Концентрация безводной или ледяной уксусной кислоты 99,8%. Уксусную кислоту используют как в пищевой промышленности, так и для растворения органических красителей, получения медикаментов, пластмасс, синтетических волокон, в микробиологическом синтезе как источник углерода и др. Для полученного микробиологическим путем уксуса характерны приятный аромат и вкус за счет образования в процессе брожения небольших количеств эфиров, например этилацетата, а также спиртов и кислот. Уксуснокислые бактерии принадлежат к роду Acetobacter. Это длиной в 0,5—8,0 мкм грамотрицательные, образующие споры палочки с жгутиками. Реакцию образования уксусной кислоты катализирует фермент алкогольоксидаза. Уравнение реакции имеет вид: СН3СН2ОН + 02 СН3СООН + H20 + 490 кДж. Для этого процесса оптимальны реакция среды рН 3,0 и температура 28°С для культуры Baci. schutzenbachi, для культуры Bact. curvum — 35—37°С. Концентрация спирта в среде 7—15%, конечная концентрация кислоты 8—14% (в среднем 10%). Если в процессе брожения в среде кончается спирт, происходит окисление уксусной кислоты: СН3СООН + 202 2С02 + 2Н20. Надо следить за тем, чтобы в конце процесса в среде содержалось 0,3—0,5% неиспользованного спирта. Во время брожения необходимо обеспечить хорошую аэрацию - теоретически на 46 частей по массе спирта необходимы 32 части кислорода. В промышленности уксуснокислое брожение ведут в вертикальных генераторах по непрерывному методу. Генераторы заполняют специальной стружкой или другим наполнителем с большой площадью поверхности, например древесным углем, коксом и др. Раствор спирта подают в генератор сверху, воздух продувают снизу встречным потоком. Находящиеся на поверхности стружек бактерии окисляют спирт до уксусной кислоты. Обычно диаметр генератора 1—3 м, высота 2,5—6 м. Генераторы делают из дерева, керамики или нержавеющей стали, стекла или железобетона, выложенного внутри керамическими плитками. При пуске генератор наполняют стружкой, подкисляя ее при помощи уксуса до тех пор, пока вытекающий из генератора уксус имеет ту же концентрацию, что и исходный раствор. Это длится примерно 8—10 сут. Затем начинается основной процесс ферментации. Для этого готовят среду, содержащую 6% уксуса, и добавляют 3%-ный раствор спирта. Кроме того, в среду вносят определенное количество фосфатов калия и сульфат аммония. Среду равномерно разливают в верхней части генератора и дают свободно стекать по стружкам. После стабилизации процесса каждый день в генератор добавляют среду в количестве 16—20% объема находящейся в нем жидкости. Без смены стружек процесс может длиться несколько лет. Производительность генератора 2,9 кг 100% уксусной кислоты на 1 м3 стружек за сутки. Теоретически из 100 л безводного спирта можно получить 103 кг уксусной кислоты, практически получают 75—93 кг уксусной кислоты, так как имеют место потери вследствие переокисления, неполного окисления спирта, а также испарения. В настоящее время широко используют метод рециркуляции, по которому вытекающий раствор многократно возвращают в генератор. Молочная кислота. На субстратах, содержащих углеводы, многие молочнокислые бактерии продуцируют молочную кислоту СН3—СНОН—СООН. Чаще всего они встречаются в молочных продуктах, на их деятельности основано получение простокваши, сметаны и других кисломолочных продуктов. Молочнокислые бактерии находятся и на зерне, поэтому ржаной хлеб можно получить после естественного брожения теста. В промышленности молочную кислоту получают, используя Bacterium delbruckii (синоним Lactobacillus delbruckii), которые принадлежат к термофильным бактериям с оптимумом температуры развития 45—50°С. В микроскопе они видны в виде длинных палочек. Молочную кислоту широко используют в химической (получение пластмасс, красителей, чернил, лаков), фармацевтической и пищевой промышленности. Ферментные системы молочнокислых бактерий превращают глюкозу в молочную кислоту согласно уравнению: С6Н1206 СН3СНОНСООН4 + 75 кДж. Вначале имеет место гликолиз, затем пировиноградная кислота восстанавливается под влиянием фермента лактатдегидрогеназы. Молочную кислоту в промышленных условиях получают методом анаэробной глубинной ферментации. В качестве основного сырья используют мелассу, сахарозу, гидролизаты крахмала. Концентрация сахара в среде 5—20%, температура 48—50°С, рН 6,3—6,5. Во время ферментации рН среды поддерживают при помощи мела, который добавляют 3—4 раза в сутки. На процесс молочнокислого брожения положительное влияние оказывают биологически активные вещества. С этой целью к среде добавляют вытяжку солодовых ростков. Продолжительность ферментации 7—11 сут. По окончании ферментации в среде остается 0,5—0,1 % сахара и 11— 14% лактата кальция. Осадок мела и коллоиды отделяют фильтрованием или отстаиванием при 80—90°С. Фильтрат упаривают до концентрации 27—30%, затем охлаждают до 25—30°С и выдерживают в кристаллизаторах 36—48 ч. Кристаллы лактата отцентрифугировывают (выход их составляет 50—55%). Осу- ществляя кристаллизацию из слабых растворов, удается увеличить выход кристаллов до 95%. В последнее время разработаны приемы непрерывной кристаллизации лактата. Молочную кислоту из лактата получают при помощи серной кислоты. Реакция идет при 60—70°С в соответствии с уравнением: Са (С3Н503)2 + H2S04 CaS04 + 2С3Н603. Для отделения ионов железа сырец молочной кислоты при температуре 65°С обрабатывают желтой кровяной солью (выпадает берлинская лазурь). Тяжелые металлы осаждают сульфатом натрия. Для адсорбции красящих веществ используют активированный уголь и затем проводят концентрирование массы до 50% или 80% в вакуум-аппаратах при давлении 800—920 кПа. Молочную кислоту дополнительно обрабатывают еще раз активным углем„ фильтруют и фасуют. Пропионовая кислота. Пропионовую кислоту СНз—СН2—СООН продуцируют пропионовокислые бактерии. В производстве сыра они способствуют образованию специфического вкуса. Пропионовую кислоту как растворитель используют в производстве душистых веществ. В химикофармацевтической промышленности она используется в качестве сырья. Для промышленного получения пропионовой кислоты используют различные культуры бактерий, например Propionibacterium freudenreichii, P. shermanii, P. rubrum и др. Зто грамположительные факультативно анаэробные бактерии, не образующие споры. Бактерии этой группы являются активными продуцентами витамина B12. Пропионовую кислоту получают в анаэробных условиях методом глубинного культивирования. Используют среду, содержащую 2% глюкозы и источник органического азота, как, например, дрожжевой экстракт, а также соли молочной кислоты. Процесс идет в нейтральной среде (рН 6,8—7,2), при температуре 30°С, длится 7—12 сут. В процессе брожения накапливается пропионовая, уксусная кислоты ( 5 : 1 ) и выделяется углекислый газ. Примерно 75% сахара потребляется на образование кислот, а 20% — на образование углекислого газа. Лимонная кислота. Лимонная кислота СН2СООН—СОНСООН—СН2СООН широко распространена в фруктах — смородине, клюкве, лимонах и т. д. В Италии и Испании лимонную кислоту еще до сих пор получают из лимонов. Ее широко используют в пищевой промышленности для производства напитков и кондитерских изделий, в химической промышленности для приготовления светочувствительных фотоэмульсий, для окраски волокон, в медицине и т. д. Лимонную кислоту микробиологическим методом получают, используя главным образом микроскопические плесневые грибы Aspergillus niger (рис. 1), выращиваемые методом поверхностного культивирования. Рисунок 1 – Колонии Aspergillus niger Aspergillus niger размножается как вегетативно, так и при помощи спор, которые образуются на конце выростов конидиенос-цев-стеригм в виде прямых цепочек. Конидиеносцы Aspergillus образуются из вегетативных клеток мицелия в виде.прямых вертикальных, нераз-ветвленных гиф, имеющих на конце пузырек. Попав в питательную среду, спора набухает, прорастает и образует вырост — гиф, который продолжает расти, разветвляться, переплетаться-, образуя мицелий. Диаметр гифов грибов 1—20 мкм. Оторванные от мицелия частицы гифов продолжают расти самостоятельно, вегетативно образуя новый мицелий. Химизм процесса образования лимонной кислоты связан с реакциями цикла Кребса. Лимонная кислота образуется из уксусной и щавелевоуксусной кислот. Экспериментально из потребленного сахара получают 98% лимонной кислоты, однако на практике выход продукта меньше, так как всегда имеют место различные побочные процессы. В культуральной жидкости можно обнаружить не только кислоты цикла Кребса — аконитовую, янтарную, фумаровую и яблочную, но иногда до 0,5% глюконовой, сахарной, щавелевой и малоновой кислот. Технология производства лимонной кислоты из мелассы мето-дом поверхностного культивирования показана на рис. 2. В отдельном цехе выращивают посевной материал — споры (конидии) Aspergillus niger. Затем размножают его в трех стадиях — пробирках, колбах и алюминиевых кюветах. Длительность каждой стадии 2—4 сут, выращивание идет при 32°С. В пробирках используют твердую агаризованную суслосреду, а в колбах и кюветах — жидкую среду. Во время культивирования на поверхности раствора образуется плотная пленка мицелия, которая затем покрывается конидиями. На последней стадии, т. е. из кювет зрелые и подсушенные конидии собирают при помощи специального вакуумного насоса. - Рисунок 2 – Схема получения лимонной кислоты: 1 – мелассное хранилище; 2 – насосы; 3 – резервуар для растворения мелассы; 4 – стерелизатор; 5 – камера брожения; 6 – сборник сброженной жидкости; 7 – нейтрализатор; 8 и 10 – нутч-фильтры; 9 – реактор; 11 – сборник; 12 – вакуум-аппарат; 13 – повторный растворитель; 14 – фильтр-насос; 15 – кристаллизатор; 16 – центрифуга; 17 – сушилка; 18 – сборник; 19 – готовая продукция Для удлинения хранения конидии дополнительно высушивают, смешивая с адсорбентом — активным углем. В таком виде конидии можно хранить 1—2 года. С 10 дм2 площади кювет можно получить 3—4 г сухих конидий (площадь каждой кюветы 8,5 дм2). Среду для лимоннокислого брожения готовят в специальном отделении. Мелассу разбавляют до 30%-ного содержания сахара, подкисляют серной кислотой до рН 7,2— 7,5, обрабатывают желтой кровяной солью для удаления железа, которое неблагоприятно влияет на лимоннокислое брожение. Полученный раствор кипятят и выдерживают 1—1,5 ч. Таким образом освобождаются от вредной микрофлоры. Перед переводом в бродильню мелассный раствор разбавляют до оптимальной концентрации сахара ( 1 5 % ) . К среде всегда добавляют источники фосфора, обычно в виде солей фосфорной кислоты, и другие минеральные вещества, например сульфат цинка, стимулирующий образование мицелия и биосинтез лимонной кислоты. Для активного синтеза лимонной кислоты в питательной среде кроме сахара должны содержаться 0,07% азота, 0,016—0,021% Р2О5, калий, магний, цинк и другие элементы в небольших количествах. Доказано, что количество азота, калия, магния, серы и железа в растворе мелассы достаточно велико, поэтому дополнительное введение их в среду излишне. Лимоннокислое брожение идет в камерах. На полках камеры располагаются плоские кислотоустойчивые металлические кюветы высотой 7—20 см. Каждая из них снабжена подачей и отводом питательной среды. В камере предусмотрена система вентиляции для подачи стерильного кондиционированного воздуха, который равномерно распределяется по всей камере. Стерильную кювету наполняют стерильной средой на высоту 4—7 см. Затем среду засевают конидиями (часто с помощью воздуха) и дают возможность развиться мицелию. В первые 24— 36 ч, когда происходит интенсивный рост мицелия, температуру поддерживают в пределах 34—36°С. Для аэрации на каждый квадратный метр мицелия подают 3—4 м3/ч воздуха. Позже подачу воздуха увеличивают ( 1 2 —15 м3/ч), а температуру снижают до 32—34°С. Максимальный рост мицелия достигается на 4-е сутки, а кислота интенсивнее всего синтезируется на 5-е сутки, когда каждый квадратный метр мицелия продуцирует в среднем 100— 105 г/ч лимонной кислоты. Работая по безобменному методу, цикл брожения заканчивают через 8—9 сут. Активные продуценты лимонной кислоты, например штамм Aspergillus niger ЭУ-119, обеспечивают в производственных условиях получение до 1400 г/м2 в сутки лимонной кислоты. Выход кислоты составляет 68% от количества сахара. Длительность цикла брожения можно увеличить, обеспечив мицелий свежей питательной средой. В этом случае после удаления из кюветы основного раствора и промывания мицелия стерильной водой под его пленку заливают свежую питательную среду (толщина слоя 6 см)—метод доливок—и продолжают сбраживание. В основе метода лежит введение питательного раствора род пленку мицелия через 6—7 сут культивирования, когда концентрация сахара уменьшается до 3—4%. Таким образом, в ходе одного цикла удается переработать на 30—35% больше питательной среды и удлинить цикл до 12 сут. В конце процесса брожения жидкость культивации сливают и мицелий промывают. Промывные воды используют далее, а мицелий после высушивания используют для нужд животноводства или для получения ферментного препарата пектиназы. В 1 л жидкости культивации содержится 40—50 г лимонной кислоты, 3 г глюконовой кислоты, 1 г щавелевой кислоты и 7 г не-сброженного сахара. Таким образом, из общего количества кислот лимонная составляет 90%. Лимонную кислоту из раствора выделяют химическим путем. В специальных нейтрализаторах раствор нейтрализуют, добавляя химически чистый мел — в осадок выпадают цитрат кальция и оксалат (глюконат остается в растворе). Горячий раствор фильтруют и затем из цитрата кальция в реакторе с H2SO4 получают раствор лимонной кислоты: Ca3(C6H507)2 + H2S04 2С6Н807 + 3CaS04. При добавлении строго определенного количества серной кислоты освобождается только лимонная кислота, а оксалат остается в растворе. Затем раствор обесцвечивают активированным углем, и с помощью желтой кровяной соли осаждают железо. Горячую массу фильтруют в нутч-фильтрах. Осадки на фильтре промывают горячей водой и присоединяют ее к раствору лимонной кислоты. Разработан метод очистки раствора лимонной кислоты при помощи ионообменных смол (КУ-1, КУ-2, СБС-1). Раствор лимонной кислоты выпаривают в вакуумных аппаратах до удельного веса 1,25, затем на фильтр-прессах в горячем виде отделяют осадок гипса. Второй раз раствор упаривают до 80% концентрации. Сгущенный раствор подают на кристаллизаторы, где его охлаждают до 8—16°С. Образовавшиеся кристаллы центрифугируют и сушат, так как влажность их 2—3%. В последнее время в производству лимонной кислоты способ поверхностного культивирования начинает сменяться глубинным культивированием. Разработан метод получения лимонной кислоты из жидких парафинов, используя специальные культуры дрожжей. Итаконовая кислота. Итаконовая кислота СН2 = С(СООН)—СН2(СООН) — ценное исходное вещество для производства синтетического нитронного волокна. На Экспериментальном заводе биохимических препаратов Института микробиологии им. А. 'Кирхенштейна АН ЛатвССР разработан метод получения итаконовой кислоты из сахарозы при помощи культуры Aspergillus terreus. Этот метод уже освоен в производстве. Технологическая схема получения итаконовой кислоты очень похожа на схему получения лимонной кислоты. Доказано, что итаконовую кислоту можно производить по методу глубинного или поверхностного культивирования, причем вместо сахарозы можно использовать мелассу и даже продукты гидролиза древесины. Биосинтез итаконовой кислоты также связан с реакциями цикла Кребса. В биосинтезе итаконовой кислоты исходным продуктом является цисаконитовая кислота, при декарбоксилировании которой она образуется: 1 Получение белков из дрожжей Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны. Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л. Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс - получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов. Сбалансировать содержание в кормах белка и его аминокислотный состав можно с помощью биомассы микроорганизмов. Этот белковый источник имеет ряд преимуществ: - большая скорость роста микроорганизмов (микроорганизмы растут в 500 раз быстрее, чем сельскохозяйственные культуры и в 1000-5000 раз быстрее, чем самые быстрорастущие породы животных); - высокое содержание белка в биомассе: дрожжи способны накапливать до 4050 % белка от своей массы, а некоторые бактерии до 60-70 % белка; - удовлетворительная биологическая ценность белков: по содержанию большинства незаменимых аминокислот (лизина, триптофана и др.) белок многих дрожжей и бактерий соответствует эталону (яичному белку); - независимость производства от погодных и сезонных условий: биомассу микроорганизмов можно получать круглогодично; - возможность выращивания биомассы на различных непищевых субстратах и на отходах ряда производств; - возможность организации производства микробного белка индустриальными методами с применением автоматизации. Использование того или иного продуцента при производстве белковых препаратов определяется составом питательной среды и назначением белка. Требования менее строги, если белок предназначен для кормовых целей и должны быть высокими, если белковые препараты используются в пищу. Эффективность применения микроорганизма-продуцента для производственных целей определяется, с одной стороны, скоростью его роста, с другой - степенью использования питательных веществ среды. Продуценты белков должны отвечать следующим требованиям: - накапливать 40-70 % белка от своей биомассы; - максимально усваивать питательные вещества среды; - не являться болезнетворными и не выделять в среду токсических продуктов; - обладать высокой устойчивостью и выживаемостью в нестерильных условиях выращивания; - иметь высокую скорость размножения и роста; - легко отделяться от среды. Промышленные культуры, используемые для биосинтеза белковых веществ, должны отвечать медико-биологическим требованиям. Преимуществом дрожжей перед другими микроорганизмами является их технологичность: устойчивость к инфекциям, легкость отделения от среды благодаря крупным размерам клеток по сравнению с бактериями, способность усваивать различные источники углерода, азота и способность расти на простых средах, высокие питательные свойства и приятный запах биомассы. Дрожжевая биомасса представляет собой полноценный белковый продукт с высоким содержанием витаминов, который может найти применение как для кормовых, так и для пищевых целей. 2 Получение белков из фототрофных микроорганизмов В последние годы основные направления исследований по микробиологическому получению белковых веществ несколько изменились. Прежде всего следует отметить повышение внимания к изысканию новых видов сырья для производства белковых веществ. В этой связи изучают фототрофные микроорганизмы, которые растут в автотрофных условиях, ассимилируя углекислоту. Преимуществом бактерий является высокая скорость роста, бόльшее, чем у других микроорганизмов, содержание белка и незаменимаой аминокислоты метионина в биомассе. По составу аминокислот бактериальный белок приближается к животному и поэтому имеет бόльшую ценность в качестве кормового препарата. Однако при использовании бактерий должен быть тщательно изучен состав их липидов, так как у некоторых из них в липидах могут содержаться токсины. Недостатком бактерий являются маленькие размеры клеток и плотность, близкая к плотности воды, что затрудняет их выделение из культуральной жидкости. Кроме того, биомасса дрожжей и бактерий имеет высокое содержание нуклеиновых кислот (до 12 % и до 16 % соответственно), что ведет к образованию нежелательных продуктов распада в животном организме. 3 Культура микроводорослей и цианобактерий Культивирование водорослей с целью получения белковых веществ исследуется уже несколько десятилетий. В настоящее время наиболее эффективный способ использования биомассы хлореллы и других водорослей заключается в применении их в качестве биостимуляторов. Обнадеживающие данные имеются по выращиванию цианобактерии спирулины. Жители района оз. Чад издавна используют спирулину в питании. Водоросли, как и все другие микроорганизмы, водоросли являются перспективным источником получения белка. Они легко отделяются от субстрата, медленнее растут, чем дрожжи и поэтому содержат меньше нуклеиновых кислот в биомассе. Общее содержание белка в водорослях может достигать 70 %. Причем эти белки полноценны по аминокислотному составу. Грибы. Для получения кормового и пищевого белка можно использовать промышленное выращивание различных видов низших и высших грибов. Некоторые виды микроскопических грибов способны накапливать до 50 % белка. По содержанию незаменимых аминокислот белок грибов приближается к белку животного происхождения, биомасса богата витаминами, особенно, группы В, содержание нуклеиновых кислот низкое (2,5 %), клеточные стенки тонкие и легко перевариваются в желудочно-кишечном тракте животных. При выращивании микроскопических грибов на жидкой питательной среде, как правило, на первой стадии культивирования происходит интенсивное образование биомассы. В условиях глубинного культивирования в первые 5-6 часов происходят сложные внутриклеточные преобразования в конидиях, они набухают, и появляются первые гифы. Далее идет быстрое развитие и рост мицелиальной массы гриба. Мицелий может формироваться в виде шариков или кашеобразной массы. Может оказаться перспективным применение в качестве продуцентов белковых веществ водородных бактерий, относящихся к хемолитоавтотрофам. Наиболее перспективными новыми видами сырья для микробного биосинтеза кормового белка на ближайшие годы являются спирты — метиловый и этиловый. Повышение внимания к низшим спиртам объясняется рядом обстоятельств, среди которых следует отметить разработку новых эффективных способов крупнотоннажного производства метанола и этанола, высокую степень чистоты получаемых спиртов, хорошую растворимость их в воде. 4 Пищевая ценность и перспективы применения микробного белка Нехватка белка в питании отрицательно сказывается на здоровье взрослого человека, понижает физическую и умственную работоспособность, а у детей замедляется физическое, а иногда и умственное развитие. При выращивании животных и птиц недостаток белка приводит к перерасходу корма, ухудшению здоровья животных. Недостаток высококачественных белков в питании населения многих стран, в том числе СССР, весьма значителен. Главной характеристикой биологической (питательной) ценности белка является сбалансированность его аминокислотного состава. Для характеристики сбалансированности аминокислотного состава белков Всемирная организация здравоохранения рекомендовала принять в качестве эталонного аминокислотный состав белков куриных яиц или женского молока (ВОЗ, 1966). Их аминокислотный состав очень близок и является наиболее благоприятным для человека. Для оценки белков используется показатель отношения незаменимой аминокислоты к общему количеству незаменимых аминокислот в белке. Отношение выражается в процентах от соответствующего отношения для данной аминокислоты в эталонном белке и является показателем скора аминокислоты. Самая малая величина из полученных показателей скора характеризует питательную ценность белков продукта. Аминокислота, имеющая наименьший показатель скора, называется первой лимитирующей аминокислотой данного продукта. Аминокислота, скор которой наиболее близок к скору первой лимитирующей аминокислоты, называется второй лимитирующей аминокислотой. Питательная ценность многих белков животного происхождения приближается к эталону, а питательная ценность растительных белков оказывается ниже. Так, белок пшеницы имеет скор всего около 50 %. Белки злаков вообще характеризуются низким содержанием лизина. В качестве добавок в корм или в пищу, составляемых в основном из злаковых, целесообразно использовать такие продукты, белок которых неполноценен сам по себе. Нужно, чтобы неполноценность добавляемого белка была противоположной, «комплементарной» к неполноценности белка злаковых, чтобы после внесения добавки полученная смесь по аминокислотному составу белков приблизилась бы к показателям эталонного белка. В качестве такого рода добавок успешно используются соя или кормовые дрожжи. Независимо от вида используемого сырья, технологический процесс производства микробных белковых препаратов состоит из следующих основных стадий (рис. 1): подготовка сырья и приготовление питательных сред для выращивания микроорганизмов; культивирование микроорганизмов; выделение биомассы продуцента из культуральной жидкости; плазмолиз клеток; сушка биомассы; фасовка и упаковка готового препарата. Рисунок 1 – Основные стадии процесса производства микробных белковых препаратов В качестве питательной среды для производства белковых препаратов в промышленных масштабах используют молочную сыворотку. На молочной сыворотке хорошо растут и накапливают значительное количество белка дрожжи Kluyveromyces и Candida. Большое значение имеет и то обстоятельство, что применение молочной сыворотки не требует специальной сложной подготовки, а культуральная жидкость после выращивания микроорганизмов может быть использована в пищевых и кормовых целях без обработки. При всестороннем исследовании микробной массы, полученной на молочной сыворотке, была выявлена ее высокая технологическая и экономическая эффективность для мясного и молочного животноводства, птицеводства и целого ряда других направлений. Для получения белка на гидролизатах растительного сырья наиболее часто используют дрожжи рода Candida, реже - дрожжи рода Trichosporon. Также дрожжи рода Candida способны к синтезу белка на сульфитных щелоках и жидких углеводородах. Газообразные углеводороды хорошо потребляются бактериями родов Mycobacterium и Pseudomonas. Применение биомассы микроорганизмов в качестве белковой добавки в корма требует всестороннего изучения ее состава и свойств, в частности перевариваемости и усвояемости. Испытанию на токсичность должны подвергаться не только живые клетки, но и продукты их метаболизма, а также готовые белковые продукты. Обязательным условием должно быть отсутствие в них живых клеток штаммапродуцента, чтобы не происходил вторичный рост. Наиболее эффективным путем использования микробного белка для ликвидации белкового дефицита в питании человека является его применение непосредственно для пищевых целей. Микробный белок используется в пищевой промышленности для изготовления различных продуктов и полуфабрикатов, начиная с 1985 г. В производстве пищевых продуктов рассматриваются 3 основные формы использования микробного белка: 1. Цельная биомасса (без специального разрушения клеточных стенок); 2. Частично очищенная биомасса (разрушение клеточных стенок и удаление нежелательных компонентов); 3. Выделенные из биомассы белки. Выделенные белки (изоляты) являются наиболее приемлемыми формами использования белковых препаратов. Однако недостаток их применения связан с тем, что при их выделении используются кислоты и щелочи, высокая температура, давление, что приводит к частичному разрушению аминокислот. При микробном синтезе белка следует подбирать культуры, у которых состав белка по незаменимым аминокислотам был бы близок к эталону, установленному Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) – к яичному белку или белку женского молока. ВОЗ сделала заключение, что белок микроорганизмов может использоваться в продуктах питания, но допустимое количество нуклеиновых кислот вводимых вместе с микробным белком в диету взрослого человека не должно превышать 2 г в сутки. Испытания на добровольцах показали, что введение микробного белка в пищевой рацион не вызывает отрицательных последствий, но встречается проявление аллергических реакций, желудочные заболевания и т.д. 1 Биологическая роль витаминов, их применение в пищевой промышленности Витамины – природные органические вещества растительного, реже животного происхождения, разнообразной химической структуры, но объединенные вместе по биологическому значению, в малых дозах необходимые для нормальной жизнедеятельности организма. Часто витамины входят в состав ферментов, то есть биологических катализаторов процессов живой клетки, являясь их простетическими группами (коферментами, коэнзимами). Например, витамин В1 в виде пирофосфатного эфира тиамина является коферментом дрожжевой карбоксилазы и дегидрогеназ – ферментов, катализирующих окислительное декарбоксилирование; витамин В2 в виде фосфорного эфира входит в состав ферментов, катализирующих окисление аминокислот; витамин РР в виде своего амида входит в состав ферментов, катализирующих тканевое дыхание. Потребность организма в витаминах установлена, и она оказалась крайне незначительной, хотя ежедневно человеку требуется около 12 различных витаминов. Суточная потребность в витамине В для взрослого человека составляет 2-2,5 мг, в витамине С - около 70 мг. Болезни, связанные с отсутствием в организме витаминов, называются авитаминозами, а с недостатком - гиповитаминозами. Давно установлено, что при длительном отсутствии свежей растительной пищи, особенно овощей и плодов, наступают тяжелые хронические заболевания организма, даже при избытке необходимых белков, жиров, углеводов, солей. Употребляя длительное время только животную и консервированную пищу, заболевали цингой и погибали экспедиции мореплавателей. На Руси часто встречалось заболевание глаз "куриная слепота" (гемералопия), причиной которого оказалось систематическое недоедание жиросодержащих продуктов. Многовековой опыт подтвердил, что в растениях и некоторых продуктах содержатся какие-то неизвестные жизненно необходимые дополнительные факторы питания. В XIX веке начали проводиться экспериментальные исследования. Русский врач Н. И. Лунин (1880) поставил опыт по вскармливанию мышей цельным и искусственным молоком с достаточным содержанием всех основных питательных веществ. Получавшие искусственное молоко мыши плохо развивались, болели и погибали. Примерно в это же время врач из Юго-Восточной Азии X. Эйкман заметил, что куры болеют, как и люди, болезнью бери-бери и причиной этого является употребление в пищу полированного риса. X. Эйкман выделил из отрубей риса белое кристаллическое вещество, которое возвращало жизнь тяжелобольному. Н. И. Лунин и X. Эйкман доказали этим, что в некоторых пищевых продуктах содержатся в небольших количествах необходимые "добавочные вещества". Работы продолжил ученый К. Функ. В 1910 г. он изучил химическое строение уже известного вещества из отрубей риса и установил в строении молекулы азот. Так появилось название "витамин" (от лат. vita - жизнь и aminum - азот), или амин жизни. Этим веществом оказался витамин В1. Витамины синтезируются растениями, в том числе и низшими. Человек получает эти вещества из пищевых продуктов растительного или животного происхождения, в последние они попадают с растительной пищей. Витамины чаще синтезируются в растительных клетках надземных частей - в листьях, стеблях, цветках. В корнях и клетках камбия витамины не образуются, хотя могут в них накапливаться (лук, чеснок, морковь, картофель). Способствуют накоплению витаминов общеизвестные природные факторы. Однако наиболее важными являются богатые энергией лучи солнца. Много витаминов содержат шиповники степной зоны, растущие в Крыму, на Кавказе, в Средней Азии. В курсе фармакогнозии рассматриваются витамины и сырье растительного происхождения: каротин, витамины К, Е, Р, В, С, Наиболее богаты витаминами виды семейств розоцветных, представители астровых, крапивных, сельдерейных, лилейных. Из корнеплодов моркови посевной получают каротин; содержится он также в тыкве, плодах рябины, облепихи, цветках ноготков, траве череды. Витамином К богаты листья крапивы, трава пастушьей сумки, кора калины. Особенно распространен витамин С: много его в плодах шиповника, ягодах черной смородины, плодах цитрусовых и других. В природе источником витаминов являются главным образом растения и микроорганизмы. Менахиноны и кобаламины синтезируются исключительно микроорганизмами. И хотя химический синтез в производстве большей части витаминов занимает ведущее положение, микробиологические методы также имеют большое практическое значение. Микробиологическим путем получают эргостерин, витамин В12. Кроме того, микроорганизмы используются как селективные окислители сорбита в сорбозу (при получении витамина С), а также для производства витаминных концентратов (витамина Вз, каротиноидов). Перспективно микробиологическое получение биотипа, используемого в рационе кур и свиней. В настоящее время на Западе в большую часть комбикормов для свиней включают биотин, получаемый путем химического синтеза. В результате химического синтеза образуется рацемическая смесь, а биологической активностью обладает лишь D-форма витамина, которую синтезируют микроорганизмы. В мире существует 40 крупных промышленных производителей витаминов; 18 из них в США, 8 — в Японии, 14 — в Западной Европе. Ведущее место в производстве витаминов занимает швейцарский концерн Hoffman La Roche, выпускающий 50— 70% всех витаминов. 2 Витамин В12 (биосинтез витамина В12, продуценты витамина В12, получение и применение витамина В12) Витамин В12 (цианкобаламин). Особенность витамина В12 по сравнению с другими витаминами группы В определяется двумя причинами: во-первых, в природе он синтезируется только микроорганизмами, во-вторых, молекула витамина состоит из 2-х частей: кобальтосодержащей и нуклеотидной. В тканях животных концентрация витамина очень низкая (в печени быка 1 мг/ кг) для того, чтобы использовать этот источник для промышленных целей. Химический синтез очень сложен. Синтезировать витамин В12 способны уксуснокислые бактерии, грибы и пропионовокислые бактерии. Наибольшее промышленное значение имеют Propionibacterium и Pseudomonas (P. denitrificans). Концентрат витамина В12 предназначен для обогащения кормов животных. Он представляет собой однородный порошок коричневого цвета, кисловатый на вкус, имеет характерный запах. Для обогащения кисломолочных продуктов витамином В12 используют пропионовокислые бактерии как в чистом виде, так и в виде концентрата, приготовленного на молочной сыворотке. В природе витамин В12 родственные корриноидные соединения находят в клетках микроорганизмов, в тканях животных и некоторых высших растениях (горох, лотос, побеги бамбука, листья и стручки фасоли). Однако происхождение витамина В12 в высших растениях окончательно не установлено. Такие низшие эукариоты, как дрожжи и мицелиальные грибы, корриноиды (синоним названия витамина В12), повидимому, не образуют. Организм животных не способен к самостоятельному синтезу витамина. Среди прокариот способность к биосинтезу корриноидов широко распространена. Активно продуцируют витамин B12 представители рода Propionibacterium. Природные штаммы пропионовокислых бактерий образуют 1,0— 8,5 мг/л корриноидов, но получен мутант P. shermanii M-82, с помощью которого получают до 58 мг/л витамина. В семействе Propionibacberiaceae есть и другие представители, способные к высокому накоплению витамина В12 в клетках. Это прежде всего Eubacterium limosum (Butyribacterium rettgeril). Как продуценты витамина практический интерес имеют многие представители актиномицетов и родственных микроорганизмов. Истинный витамин В12 в значительных количествах синтезирует Nocardia rugosa. Путем мутаций и отбора получен штамм N. rugosa, накапливающий до 18 мг/л витамина В12. Активные продуценты витамина обнаружены среди представителей рода Micromonospora: M. purpureae, M. echtnospora, M. halophitica, M. fused, М. chalceae. Высокой кобаламинсинтезирующеи активностью обладают метаногенные бактерии, например Methanosarrina barken, M. vacuotata и отдельные штаммы галофильиого вида Methanococcus halophilus. Последний организм синтезирует более 16 мг корриноидов на грамм биомассы. Столь высокого содержания корриноидов не отмсчено ни у одного другого из изученных микроорганизмов. Причина высокого содержания корриноидов у метаногеиных бакчерий не установлена. Коррииоиды синтезируют строго анаэробные бактерии из рода клостридий. У Clostridium tetanomorphum и Cl. sticklandii аденозилкобаламин входит в состав ферментных систем, катализирующих специфические реакции изомеризации таких аминокислот, как глута-миновая, лизин и орнитин. В значительных количествах образуют витамин В12 ацетогенные клостридии Сl. thermoaceticum, Cl. formicoaceticum и Aceiobacter wood i, синтезирующие ацетат из С02. Известны активные продуценты витамина В12 у псевдомомад, среди которых лучше других изучен штамм Pseudomonas denitrificans. MB-2436 — мутант, дающий на оптимизированной среде до 59 мг/л корриноидов. Штамм применяют для промышленного получения витамина В12 на фирме Мерк в США. Интерес представляют термофильные бациллы, а именно Bacillus circulans и Вас. stearothermophilus, которые растут соответственно при 60 и 75 °С и за 18 ч культивирования без соблюдения стерильных условий дают высокие (2,0—6,0 мг/л) выходы витамина, Корриноиды синтезируют Rhodopseudomonas patustris, фототрофные пурпур ные оактерии Rhodobacter spheric us, Rh. capsulatus, Rhodospirillum rubrum, Chromatium vinosum и ряд других видов. Наряду с витамином В12 они образуют бескобальтовые корриноиды, роль которых для продуцентов не установлена. Значительные количества витамина В12 образует цианобактерия Anabaena cylindrica, одноклеточные зеленые водоросли Chlorella pyrenoidosae и красные водоросли Rhodosorus marinas. Продуценты витамина В12 культивируют в средах, приготовленных на основе пищевого сырья: соевой муки, рыбной муки, мясного и кукурузного экстракта. В последние годы выявлены микроорганизмы, образующие высокие качества корриноидов при утилизации непищевого сырья. Achromobacter sp., используя изопропиловый спирт как источник углерода и энергии, накапливает до 1,1 мг/л провитамина, Pseudomonas sp. синтезирует витамин В12 в среде с метанолом или пропандиолом (до 160 мкг/л), факультативный метилотроф (FM=02T) образует в среде с метанолом до 2,6 мг/л витамина. Выделен штамм Klebsiella 101, образующий большое количество корриноидов в клетках только при росте на среде с метанолом как единственном источнике углерода и энергии. Мировая продукция витамина В12 составляет 9—11 тыс. кг в год; из них 6500 кг используют на медицинские цели, а остальную часть — для животноводства. Производство витамина В12 основано главным образом на культивировании пропионовокислых бактерий (в России, Великобритании, Венгрии), мезофильных и термофильных меганогенных бактерий (Россия, Венгрия), а также актиномицетов и родственных форм (Италия). Для получения витамина В12 бактерии культивируют периодическим методом в анаэробных условиях в среде, содержащей кукурузный экстракт, глюкозу, соли кобальта и сульфат аммония. Образующиеся в процессе брожения кислоты нейтрализуют раствором щелочи, которая непрерывно поступает в ферментер. Через 72 ч в среду вносят предшественник — 5,6-ДМБ. Без искусственного введения 5,6-ДМБ бактерии синтезируют фактор В и псевдовитамин В12 (азотистым основанием служит аденин), не имеющие клинического значения. Ферментацию заканчивают через 72 ч. Витамин В12 сохраняется в клетках бактерий. Поэтому после окончания брожения биомассу сепарируют и экстрагируют из нее витамин водой, подкисленной до рН 4,5—5,0 при 85—90°С в течение 60 мин с добавлением в качестве стабилизатора 0,25 %-ной NaNО2. При получении КоВ12 стабилизатор не добавляют. Водный раствор витамина В12 охлаждают, доводят рН до 6,8—7,0 50 %ным раствором NaOH. К раствору добавляют Al2(SO4)3 . I8H2O и безводный FeCl3 для коагуляции белков и фильтруют через фильтр-пресс. Очистку раствора проводят на ионообменной смоле СГ-1, с которой кобаламины элюируют раствором аммиака. Далее проводят дополнительную очистку водного раствора витамина органическими растворителями, упаривание и очистку на колонке с А12O3. С окиси алюминия кобаламины элюируют водным ацетоном. При этом Кo-В12 может быть отделен от CN- и оксикобаламина. К водно-ацетоновому раствору витамина добавляют ацетон и выдерживают при 3—4°С 24—48 ч. Выпадающие кристаллы витамина отфильтровывают, промывают сухим ацетоном и серным эфиром и сушат в вакуум-эксикаторе над Р2Об. Для предотвращения разложения Ko-В12 все операции необходимо проводить в сильно затемненных помещениях или при красном свете. Таким образом, можно получить не только смесь CN- и оксикобаламинов, но и коферментную форму, которая обладает высоким терапевтическим эффектом. Для химической очистки витамина В12 используется его способность образовывать аддукты с фенолом и резорцином. При этом способе отделение витамина В12 от сопутствующих ему факторов упрощается. Промышленный концентрат цианкобаламина обрабатывают водным раствором резорцина (или фенола), выделяют комплекс витамина В12 с резорцином (или фенолом), далее разлагают его и получают кристаллический препарат. Промышленность выпускает различные формы лечебных препаратов кобаламинов: ампулы со стерильным раствором CN-B!2, приготовленного на 0,9%*ном растворе NaCl, таблетки CN- В12 в смеси с фолиевой кислотой, таблетки (муковита), содержащие CN-В12 и мукопротеид (внутренний фактор). Лечебные препараты в ампулах: камполон, антианемин и гепавит — содержат водный экстракт печени крупного рогатого скота. Перспективны исследования по мутагенезу пропионовокислых бактерий как один из способов повышения продуктивности штамма, а также проверки и внедрения в производственные условия других продуцентов, растущих на дешевом непищевом сырье. 3 Рибофлавин, продуценты рибофлавина, получение и применение витамина В2 Витамин В2 (рибофлавин) можно в небольших количествах выделять из природного сырья. В наибольшем количестве он содержится в моркови и печени трески. Из 1 т моркови получают 1 г витамина, из 1 т печени – 6 г. Рибофлавин впервые был выделен в кристаллическом виде в 1933 г. Продуцентами данного витамина являются дрожжи, мицелиальные грибы и бактерии. Наиболее активными продуцентами витамина В2 являются дрожжеподобные грибы рода Eremothecium (эремофекиум), входящие в класс аскомицетов. Культивирование проводят глубинным способом при хорошей аэрации. Максимальное накопление витамина происходит вместе с максимумом накопления биомассы на 2-е сутки, причем синтез рибофлавина начинается лишь после фазы интенсивной ассимиляции сахара. Витамином В2 обогащают некоторые сорта белого хлеба, его используют для окраски пищевых продуктов в оранжево-желтый цвет. Продуцентами рибофлавина в природе являются высшие растения, дрожжи, мицелиальные грибы и бактерии. Большинство микроорганизмов образует свободный рибофлавин и две его коферментные формы — ФМН и ФАД, Из многих бактерий и плесневых грибов выделены аналоги РФ и их коферментные формы. Основной формой флавинов, выделяемых микроорганизмами в среду, является РФ. Изучение особенностей биосинтеза РФ различными группами микроорганизмов показало, что он, как правило, образуется в больших количествах, чем нужно для удовлетворения потребности клетки в этом витамине. Среди прокариот флавиногенной группой считают микобактерии и ацетонобутиловые бактерии. Из актиномицетов значительные количества РФ синтезируют Nocardia eritropolis. Среди плесневых грибов наиболее активные продуценты рибофлавина — грибы рода Aspergillus и вид A. niger. Использование мицелия грибов как препарата флавинов экономично — мицелий является отходом антибиотической промышленности. Активные продуценты рибофлавина Eremothecium ashbyli, Ashbyll gossypii, образующие игольчатые аскосп оры, дрожжеподобные грибы, входящие в класс Ascomycetes, порядок Endomycetales, семейства Spermophtoraceae. Описан ряд способов получения кормовых и кристаллических препаратов РФ с использованием указанных микроорганизмов. Активные продуценты рибофлавина, которые имели ранее или имеют в настоящее время практическое применение, представлены в табл. 12.2. Там же приведены концентрации железа, оптимальные для образования витамина. Недостаток культуры Е. ashbyii — ее нестабильность. При хранении на твердых средах при комнатной, низкой температуре и даже в процессе лиофилизации гриб легко теряет способность к сверхсинтезу РФ. Для сохранения штамма Е. ashbyii в активном состоянии в течение длительного времени (8—10 месяцев) рекомендуется производить систематический рассев на твердые питательные среды и отбирать наиболее интенсивно окрашенные в оранжевый цвет колонии. Яркая окраска колоний коррелирует с высокой рибофлавинсинтетической способностью. При подготовке инокулята гриб пересевают последовательно по схеме: посев на скошенную агаризованную среду в пробирке в жидкую среду в колбы в бутыли в инокулятор. Среда для пробирок содержит соевую муку, свекловичный сахар, агар, рН 6,8 (1-й вариант) или дрожжевой экстракт, пептон, глюкозу, агар, рН 6,8 (2-й вариант). Время выращивания 5—7 суток. Среда для колб и бутылей содержит: соевую муку, свекловичный сахар (1-й вариант) или пептон, свекловичный сахар, кукурузный экстракт, КН2РО4, MgS04, подсолнечное масло (2-й вариант). Время выращивания 48 ч. Среда в инокуляторе содержит кукурузный экстракт, свекловичный сахар, КН2Р04, технический жир. Технологическая схема получения кормового препарата РФ представлена на рисунке 1. В инокуляторе 8 культуру выращивают в течение 21 —26 ч, затем переводят ее в ферментер 7 с питательной средой, содержащей: кукурузную муку, соевую муку, кукурузный экстракт, свекловичный сахар, КН2РО4, СаСО3, NaCl и технический жир. Среду стерилизуют в смесителей при 120— 122°С в течение часа. Рисунок 1 – Технологическая схема получения кормового концентрата рибофлавина с помощью Eremothecium ashbyii: 1 – компрессор воздуха, 2 – маслоотделитель, 3 – ресивер, 4 – фильт головной, 5 – инокулятор, 6 – смеситель, 7 – ферментер, 8 – инокулятор, 9 – сборник культуральной жидкости, 10 – выпарной аппарат, 11 – распылительная сушилка, 12 – дробилка Культивирование в ферментере ведут до начала лизиса клеток и появления спор (определяют микроскопически). Температура культивирования 28—30 °С, давление воздуха в ферментере (1—2) • 104 Па, расход воздуха 1,5—2,0 л в минуту на 1 л культуральной жидкости. Выход РФ около 1200 мкг/мл. Для получения кормового препарата РФ культуральную жидкость упаривают под вакуумом 10 до содержания 30—40% сухих веществ. Сироп высушивают в распылительной сушилке 11, сухую пленку дробят в дробилке 12 до состояния порошка, который расфасовывают. Усовершенствование процесса производства РФ осуществляется в направлениях: 1) селекции мутантных штаммов; 2) оптимизации состава и удешевления сред; 3) оптимизации условий культивирования продуцента. Препарат кормового витамина В2 — смесь биомассы мицелия Е. ashbyii и сухих веществ среды — содержит не менее 15 мг рибофлавина в одном грамме, а также витамины B1, B3, B6, В12, никотиновую кислоту и 20% белка. Содержание влаги не более 8%. Наиболее богатым источником ФАД служит гриб Е. ashbyii. В Японии запатентован способ, позволяющий получить более 600 мг/л ФАД из его биомассы. Участие флавинов в многообразных биохимических реакциях позволяет помять важную роль этих соединений в обмене веществ высших и низших организмов. Потребность человека в витамине В2 2—2,5 мг/сут. Витамин В2 поступает в организм с пищей (рибофлавином богато молоко, яичный желток, печень, дрожжи) и в результате жизнедеятельности кишечной микрофлоры. В медицине применяют витамин В2 в виде витаминных препаратов при недостаточном содержании его в рационе, а также путем инъекций ФМН и ФАД при патологических явлениях, связанных с нарушением обмена флавиновых нуклеотидов. ФМН и ФАД (флавииат) применяют при лечении дистрофии сетчатки глаза, а также при заболеваниях печени и поджелудочной железы. В качестве препаратов пролонгированного действия используют сложные эфиры РФ. Они имеют стимулирующее влияние на углеводный и липидный обмен. Витамином В2 витаминизируют некоторые сорта белого хлеба. Его используют также для окраски в оранжево-желтый цвет пищевых продуктов. Среди производных изоаллоксазинов имеются соединения, обладающие противоопухолевым и противовоспалительным действием. Очень важна хорошая обеспеченность флавинами кормов животных и птиц. Комбикорма должны содержать 5—6 г. РФ на тонну. Добавки витамина В2 в корма обеспечивают нормальный рост животных, высокую яйценоскость кур и выживаемость цыплят. 1 Основные группы ферментных препаратов, используемых в пищевой индустрии Биохимические процессы, протекающие при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием собственных ферментов сырья или с действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами и используемых в виде ферментных препаратов (ФП). Ферменты - органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. В промышленных условиях ФП растительного происхождения получают из таких растений, как папайя, ананас и инжир. На мясоперерабатывающих предприятиях ферменты и ФП получают из органов и тканей животных. Однако наиболее широко ФП получают из культур микроорганизмов. Источником получения биомассы микроорганизмов, используемой для выделения ферментов, являются культуры плесневых грибов, бактерий, дрожжей и актиномицетов. Микроорганизмы дают значительно больше биомассы, из которой проще и экономичнее выделить данный фермент, чем из тканей высших растений и животных. Так, α-амилазу получают из плесневых грибов (Aspergillus niger, A. oryzac и др.) и бактерий (Bacillus subtilis), глюкоамилазу — чаще всего из плесневого гриба Aspergillus awamori, пектолитические ферменты — из грибов Aspergillus, например A. awamori, протеиназы — из бактерий и грибов, относящихся к родам Bacillus, Aspergillus, Penicillium и др. В специально созданных условиях микроорганизмы способны синтезировать огромное количество разнообразных ферментов. Микроорганизмы неприхотливы к составу питательной среды, легко переключаются с синтеза одного фермента на другой и имеют сравнительно короткий цикл роста (16...100ч). Культивирование микроорганизмов можно вести двумя способами: поверхностным и глубинным. Поверхностным способом можно вырастить только аэробную культуру микроорганизма на твердой сыпучей питательной среде; глубинным способом выращивают микроорганизмы в жидкой питательной среде. Этим способом можно вырастить как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы. Глубинный способ имеет ряд преимуществ по сравнению с поверхностным: не требует больших производственных площадей, упрощает механизацию производства, позволяет рациональнее использовать питательные вещества сред и получать ФП с меньшим содержанием примесей. Ферментные препараты отличаются от ферментов тем, что помимо активного белка содержат балластные вещества. Подавляющее количество ФП являются комплексными, содержащими кроме основного еще значительное количество сопутствующих ферментов, хотя существуют ФП, в состав которых входит только один фермент, В комплексном препарате основной фермент преобладает и имеет наибольшую активность. Название ФП складывается из сокращенного названия основного фермента, видового названия продуцента и суффикса «ин». Например, амилолитические препараты, получаемые из культур Aspergillus oryzae и Bacillus subtilis, называются соответственно амилоризином и амилосубтилином, Протеолитический препарат, получаемый из культуры Bacillus sublilis, называется протосубтилином. В названии препарата отражается способ культивирования микроорганизмов: при глубинном способе после названия ставится буква Г, а при поверхностном — буква П; далее следует обозначение 2х, Зх, 10х, 15х или 20х, отражающее возрастающую степень очистки препарата от балластных веществ. Индексами 15, 18, 20 обозначают препараты, частично освобожденные не только oт балластных веществ, но и от сопутствующих ферментов. Неочищенный ФП представляет собой культуру микроорганизма вместе с остатками питательной среды, высушенную при мягком режиме до влажности не более 8... 12 %. В названии такого ФП присутствует только буква х. В пищевой промышленности (в хлебопечении, пивоварении, виноделии, крахмалопаточном, консервном, пишеконцентратном производствах) используются очищенные ФП, частично или полностью освобожденные от балластных веществ. Они могут быть получены в виде порошков или жидких концентратов. Часто возникает необходимость использования не только какого-либо конкретного фермента, но и их определенного сочетания, где учитывались бы все свойства ферментов, необходимых для конкретной области применения. Эти препараты получили название мулътиэнзимных комплексов (МЭК). При использовании ФП следует учитывать то влияние, которое могут оказать сопутствующие ферменты на технологический процесс. Создавая оптимальные условия для действия основного фермента, можно в значительной степени ослабить активность других нежелательных ферментов. Например, присутствие активной протеиназы вместе с и амилазой в препаратах для хлебопечения не желательно, и наоборот, при осахаривании зерна и крахмала в спиртовой промышленности необходимо одновременное воздействие этих двух ферментов. При использовании ФП часто фермент после однократного использования инактивируется, при этом обрабатываемый материал загрязняется препаратом, так как ферменты трудно отделить от продуктов реакции. В настоящее время выпускаются ФП многократного использования, так называемые иммобилизованные ФП. Иммобилизация ферментов — это прикрепление фермента в активной форме к водонерастворимой основе или заключение его в полупроницаемую мембрану. Такие ФП называют еще связанными, сшитыми, прикрепленными, матрицированными. Иммобилизованные ФП состоят из фермента, носителя и связующего их звена. Носители могут иметь зернистую структуру и быть выполнены в виде волокон, пленок и мембран. В качестве носителей применяют органические полимерные природные и синтетические соединения и неорганические вещества. В качестве основы для носителей могут быть использованы целлюлоза, декстрин, губчатый крахмал, кремнеземные сорбенты, различные виды глин, керамика, силикагели, металлы, их оксиды и т.д. Фермент, входяший в ферментный препарат, прикрепляется к основе (носителю) за счет химических связей или путем механического включения фермента в органический или неорганический гель. Основные способы получения иммобилизованных ФП: ковалентное присоединение молекул ферментов к водонерастворимому носителю; ковалентная сшивка молекул ферментов друг с другом или с инертными белками без носителя; захват фермента в сетку геля или полимера; адсорбция ферментов на водонерастворимых носителях; микрокапсулирование в полупроницаемые оболочки. Иммобилизованные ФП отличаются от нативных по своим свойствам, так как при их получении изменяется пространственная структура белковой молекулы. Они характеризуются стабильностью фермента в более широкой зоне рН и температуры, устойчивостью к действию ингибиторов, что важно при длительном их использовании. Применение ФП в пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выход, улучшить условия труда, экономить ценное пищевое сырье. Если прежде основным источником активных ферментов был солод, получаемый из ячменя, ржи и других зерновых культур, то, применял ФП, можно отказаться от зерна и использовать его на другие цели. Роль оксидоредуктаз. Из класса оксидоредуктаз большое практическое значение имеет полифенолоксидаза, которая действует в присутствии кислорода воздуха на монофенолы, о-ди-фенолы, полифенолы, дубильные вещества с образованием темноокрашенных соединений — меланинов. В состав этого фермента входит медь. Если какимлибо способом связать медь, то фермент полностью теряет свою активность. Полифенолоксидаза играет важную роль в производстве чая. При переработке зеленые листья подсушиваются и скручиваются в трубочку. В процессе последней операции происходит механическое разрушение значительной части клеток, что обеспечивает хороший контакт дубильных веществ чайного листа (субстрата) с ферментом. Затем скрученный лист выдерживают определенное время при соответствующей температуре и высокой относительной влажности воздуха, т. е. создают условия для ферментации, при которой происходят окисление дубильных веществ гсолифенолоксидазой и образование темноокрашенных соединений, придающих цвет чаю. Процессы ферментации, связанные с окислением дубильных веществ ферментами, протекают при обработке какао-бобов, в результате которой содержание дубильных веществ снижается, что сопровождается смягчением горького и вяжущего вкуса какао-бобов и изменением их цвета (какао-бобы приобретают коричневую окраску). Для проведения ферментации в оптимальные сроки необходима высокая температура, которую постепенно увеличивают до 45...50 Т. Этот фермент имеет также большое значение при производстве ржаного хлеба. При выпечке хлеба полифенолоксидаза муки действует на свободный тирозин муки, образуя меланины. В ряде производств эта биохимическая реакция может играть отрицательную роль, например при использовании пшеничной муки, способной к потемнению при получении хлеба и макаронных изделий. Мука темнеет уже в процессе приготовления теста. но особенно интенсивно потемнение происходит при выпечке хлеба и сушке макарон, чему способствует высокая температура. В результате готовые макаронные изделия, выработанные из макаронной муки, приобретают коричневую окраску и не соответствуют по цвету сорту муки, из которой они получены. Пшеничный хлеб из такой муки имеет темный мякиш. Это явление можно объяснить тем, что в переработку попала мука, полученная из дефектного (проросшего или морозобойного) зерна, в состав которой входит свободный тирозин. Мука нормального качества в процессе переработки не темнеет, хотя в ней находится в активном состоянии полифенолоксидаза. Причина состоит в том, что в такой муке нет субстрата — свободного тирозина для действия фермента. При производстве макаронных изделий стандарт не разрешает использовать муку из дефектного зерна. В хлебопечении муку, темнеющую в процессе переработки, следует смешивать со светлой и нетемнеющей мукой. Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение на воздухе срезов картофеля, иб»ок, что ухудшает цвет продуктов их переработки (хрустящего картофеля, сухофруктов и др.). Существуют различные способы предотвращения нежелательного потемнения изделий. Один заключается в химической обработке продукта перед сушкой — сульфитации. Другие способы состоят в термической обработке картофеля, плодов и овощей перед сушкой. Чаше всего этого достигают путем бланширования: продукт на несколько секунд погружают в кипяток или же обрабатывают паром. Фермент при этом разрушается и в процессе сушки уже не действует, а продукт получается светлым. Аскорбинатоксидаза окисляет аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую. Действие этого фермента нежелательно при сушке различных пищевых продуктов, в частности яблок, картофеля, овощей, так как образующаяся дегидроаскорбиновая кислота легко подвергается распаду, в результате чего снижается содержание в продукте витамина С, что сказывается на его пищевой ценности. Для инактивации фермента применяют сульфитацию или бланширование продуктов. Липоксигеназа в присутствии кислорода воздуха окисляет ненасыщенные жирные кислоты, в основном линолевую и линоленовую, превращая их в пероксиды. Последние являются сильными окислителями, они действуют на насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, каротиноиды, витамин А, аскорбиновую кислоту и аминокислоты. В результате образуются альдегиды и кетоны, которые придают изделиям неприятные запах и вкус. Липоксигеназа имеет большое значение как фактор, от которого зависит качество макарон, а именно их цвет. Макаронная мука отличается желтым цветом, который обусловлен содержанием в ней пигментов — каротиноидов. Каротиноиды — нестойкие вещества, легко окисляемые кислородом воздуха и при этом теряющие свой естественный цвет. При хранении муки красящие вещества сохраняются, так как они растворимы в жирах, которые покрывают их тонкой жировой пленкой, препятствующей окислительному воздействию кислорода воздуха. При изготовлении макаронных изделий липоксигеназа разрушает жировую оболочку и каротиноиды обесцвечиваются, а образовавшиеся пероксиды усиливают негативное воздействие кислорода воздуха. В итоге макаронные изделия теряют желтую окраску и приобретают белый оттенок, что ухудшает их потребительские свойства. При слабом действии липоксигеиазы в небольшом количестве образуются пероксиды, оказывающие укрепляющее действие на структурно-механические свойства клейковины. На этом основан способ улучшения качества пшеничного хлеба с использованием жилкой окислительной фазы. Для этого к пшеничной муке добавляют некоторое количество соевой муки, особенно богатой активной липоксигеназой, и растительное масло в качестве источника жирных кислот. Смесь вносят в основную массу теста. В результате полученный хлеб отличается повышенным объемом, хорошей пористостью и светлым мякишем. Велика роль этого фермента при хранении различных продуктов переработки зерна. На первых стадиях хранения липоксигеназа оказывает на качество пшеничной муки благоприятное действие. Свежесмолотая мука для производства хлеба не используется. Такая мука даст мажущееся, липкое, расплывающееся тесто, которое связывает при замесе пониженное количество воды. Хлеб получается плотным, с плохой пористостью, с коркой, покрытой трещинами. При отлежке мука созревает за счет окисления каротиноидов она становится светлее. На начальном этапе в результате действия липоксигеиазы и образования пероксидных соединений происходит укрепление структурно-механических свойств клейковины, качество хлеба улучшается. В этом процессе важная роль также принадлежит ферменту липазе. Однако при длительном хранении мука прогоркает за счет образования в итоге большого количества альдегидов и кетонов. Этот же процесс наблюдается и при ирогоркании крупы. Роль гидролаз. При производстве пищевых продуктов наибольшее значение имеют липаза, амилазы, нротеолитические, лектолитические, иеллюлолитические и гемицеллюлазные фе рменты и др. К числу важнейших гидролаз относится липаза, гидролизующая распад жира с образованием глицерина и свободных жирных кислот. Действие липазы имеет большое значение при хранении муки и крупы, особенно содержащих большое количество жира, например овсяной. В целом зерне липаза и липоксигеназа неактивны. В продуктах переработки зерна их активность увеличивается, особенно если зерно или муку хранят при повышенной температуре и высокой относительной влажности воздуха. При этом вначале возрастает кислотность продукта. При длительном хранении продукт прогоркает. Этот процесс является следствием действия двух ферментов—липазы и липоксигеиазы. Образующиеся за счет действия липазы свободные жирные кислоты быстрее окисляются липоксигеназой, чем связанные, т. е. липаза подготавливает субстрат для действия липоксигеиазы. Для предотвращения прогоркания муки и крупы необходимо инактивировать оба фермента. Для этого зерно перед помолом обрабатывают паром. Наибольшее значение изамилолитических ферментов имеют α-, β-амилазы и глюкоамилаза. α-Амилаза расшепляет крахмал с образованием низкомолекулярных декстринов и незначительного количества мальтозы. Под действием β-амилазы на крахмал в основном образуются мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. Полное расшепление крахмала до мальтозы возможно при одновременном действии α- и βамилаз. Глюкоамилаза гидролизуег крахмал с образованием преимущественно глюкозы и небольшого количества декстринов. Амилазы имеют большое значение при оценке хлебопекарных свойств пшеничной муки, а именно при оценке ее газо- и сахаробразующей способности. В пшеничном тесте под действием зимазного комплекса дрожжей происходит спиртовое брожение, интенсивность которого зависит прежде всего от количества сахара, присутствующего в муке и тесте. Собственных Сахаров в муке немного, и они расходуются на самых первых этапах брожения. В дальнейшем в спиртовом брожении участвует мальтоза, которая образуется в тесте за счет расщепления крахмала 0-амилазой. Диоксид углерода, возникающий при брожении, поднимает и разрыхляет тесто, определяя в итоге пористость хлеба. В процессе брожения теста сахара используются не полностью, часть их участвует на стадии выпечки в реакции меланоидинообразования, которая определяет в итоге цвет, вкус и аромат хлеба. Если пшеничная мука имеет пониженную сахаробразующую способность, то для получения из нее хлеба хорошего качества необходимо активизировать гидролиз крахмала. Для этого увеличивают атакуемость крахмала, чаще всего путем заваривания муки и клейстеризации крахмала, или усиливают глубину его гидролиза, добавляя α -амилазу, которая способствует образованию дскстринов, являющихся субстратом для последующего действия β-амилазы. Источниками α-амилазы являются солод (проросшее зерно) и ферментные препараты. αАмилаза плесневых грибов гидролизует клейстеризованный крахмал, образуя больше мальтозы и меньше декстринов, чем а-амилаза бактериального происхождения. Кроме того, бактериальная α-амилаза по сравнению с α-амилазой, полученной из плесневых грибов, отличается большей термоустойчивоегью. В хлебопечении чаше используют ФП грибного происхождения, в которых α-амилаза быстро инактивируется при выпечке хлеба, что предотвращает нежелательное накопление избытка декстринов. Реакция гидролиза крахмала ферментами является основной в ряде пищевых технологий. При получении жидких дрожжей в состав питательной среды для размножения дрожжевых клеток должны входить сахара. Они образуются за счет добавления в заваренную муку светлого солода, при этом клейстеризованный крахмал быстро гидролизуется амилазами солода до мальтозы. В спиртовой промышленности источником сахара, который сбраживается в дальнейшем дрожжами до этанола и диоксида углерода, обычно является крахмал зерна или картофеля. Сырье предварительно тонко измельчают, в результате улучшаются условия гидролиза его составных частей, в том числе частично и целлюлозы, гемицеллюлоз и пентозанов клеточных стенок. При разваривании крахмал содержащего сырья крахмал клейстеризуется и переделит в коллоидный раствор. Затем его осахармвают либо солодом, либо ферментными препаратами плесневых грибов, которые содержат глкжоамилазу или смесь этого фермента и α-амилазы. Замена солода ферментными препаратами позволяет экономить солод, увеличивает выход спирта, снижает его себестоимость и значительно интенсифицирует процесс осахаривания. Протеолитические ферменты (протеиназы и пептилазы) катализируют расщепление пептидной связи белков и полипептидов. Под действием этих ферментов белок превращается в пептоны, полипептиды, конечным продуктом реакции являются аминокислоты. Применение протеолитических ферментов позволяет гидролизовать белки, пептоны и полинептиды сырья до аминокислот, которые являются ценным азотистым питанием для дрожжей, что улучшает технологический процесс, особенно в пивоварении, виноделии и спиртовой промышленности. В пивоварении образующиеся при расщеплении пептоны и полипептиды обусловливают ценообразование и обеспечивают вкус пива. Белковые вещества могут быть причиной помутнения пива и вина в процессе их хранения, если эти денатурированные соединения не выпяли в осадок в процессе производства. Наиболее простой способ стабилизации пива и вина — гидролиз белков протеолитическими ферментными препаратами. Например, для борьбы с так называемой «холодной» мутью в пиве иротеолитические ферменты вносят на стадии его дображивания с таким расчетом, чтобы растворить белки мути, но не вызвать глубокого расщепления белков, с тем чтобы не изменить стойкость пены и вкус пива. Комплексные ФП, содержащие протеиназы, используют также в пищековщентратиой и консервной промышленности для приготовления продуктов изтрудноразвариваемого сырья (круп, гороха, фасоли и др.). Пектолитические ферменты гидролизуют пектиновые вещества, представляющие собой полисахариды, состоящие из остатков D-галактуроновой кислоты. К пектиновым веществам относят протопектин, пектин, пектиновую и пектовую кислоты. Все пектиновые вешества, кроме протопектина, растворимы в воде. Строение протопектина точно не установлено. В нем очень длинная цепь метоксилированной полигалактуроновой кислоты связана с другими веществами: целлюлозой, остатками фосфорной кислоты, сахарами и др. Пектин - метоксилированная полигалактуроновая кислота, образующаяся из протопектина за счет действия пектолитических ферментов. Степень этерификации 14,9...15,2%. При ферментативном расщеплении от пектина отделяется часть метоксильных групп с образованием пектиновой кислоты и метанола. Пектовая кислота полностью лишена метоксильных групп. Пектин обладает желирующей способностью, которая тем выше, чем длиннее цепочка нолигалактуроновой кислоты и чем больше степень ее метоксилирования. Процесс гидролиза пектиновых веществ имеет большое значение для переработки плодов, ягод и овошей. Пектиновые вещества, являясь гидрофильными коллоидами, повышают водоудер-живающую способность растительной ткани и тем самым препятствуют полному отделению сока, задерживают выделение взвешенных частиц в соке, сусле, вине, что приводит к образованию устойчивой неоседающей мути, придает соку высокую вязкость и затрудняет его осветление и фильтрование. Обработка плодов и ягод пектолитическими ферментами ведет к значительному расщеплению пектиновых веществ, прежде всего пектина, что увеличивает и ускоряет сокоотдачу, снижает вязкость сока, облегчает процесс его фильтрования и осветления. Поскольку активность пектолитических ферментов плодов и ягод, особенно у таких плодов, как слива, алыча, абрикос, персик и др., не очень высока, для ускорения гидролиза пектиновых веществ и повышения сокоотделения при производстве овошных пюре, виноградных вин и различного вида консервов из плодов используют пектолитические ферментные препараты, чаще всего грибного происхождения. Использование ФП позволяет на 5..25 % повысить выход сока с единицы перерабатываемого сырья и получить высокий экономический эффект. Пектолитические ферменты используют также при получении фруктово-ягодных напитков с мякотью, содержащих высокое количество пектина. Ферменты расщепляют пектин и снижают нежелательный желируюший эффект, что обеспечивает возможность получения концентрированных жидких соков. Пектолитические ферменты применяют также в качестве дополнительного компонента при кормлении сельскохозяйственных животных и птиц, особенно если в кормах присутствует свекловичный жом, что резко повышает их усвояемость. β-фруктофуранозидаза —фермент, расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу. Он продуцируется плесневыми грибами, бактериями и дрожжами, из которых его обычно выделяют в виде очищенных ферментных препаратов. β -Фруктофуранозидаза, содержащаяся в виноградном сусле, играет важную роль в начальный период образования вина, так как способствует инверсии сахарозы сразу же после раздавливания винограда. Препараты этого фермента применяют в кондитерской промышленности при производстве помадки и других кондитерских изделий, включаюших помадные массы. Под действием фермента в готовых изделиях протекает медленная инверсия сахарозы, поэтому они дольше сохраняют оптимальную консистеннию и медленнее высыхают. β-Фруктофуранозидазу можно использовать при получении сгущенного молока, искусственного меда, плодово-ягодных соков, экстрактов и варенья, так как образующийся инвертный сахар является антикристаллизатором и предохраняет изделия от засахаривания. Препараты этого фермента используют при приготовлении инвертных сиропов с концентрацией сахара до 72...73 % в ликероводочной и безалкогольной промышленности. Такие сиропы не кристаллизуются, что облегчает проведение технологического процесса. β-Галактозидаза катализирует расщепление лактозы на глюкозу и галактозу. Она содержится в лактозных дрожжах, вызывающих брожение молочных продуктов, в бактериях и плесневых грибах. В последние годы дня обогащения хлеба в тесто добавляют молоко, пахту и другие продукты переработки молока, содержащие большое количество лактозы, которая не сбраживается прессованными дрожжами. Добавление в тесто препаратов β галактозидазы приводит к усилению процессов брожения теста за счет образования глюкозы и к улучшению качества хлеба, его вкуса, цвета и аромата. Обработка молока и молочных продуктов препаратами β-галактозидазы позволяет использовать данные молочные продукты в пишу людям, страдающим лактазной недостаточностью. Использование этого фермента при приготовлении кисломолочных продуктов способствует более быстрому развитию молочнокислых микроорганизмов, что позволяет ускорить технологический процесс. Гидролиз 20...30 % лактозы молока при приготовлении мороженого предотвращает его кристаллизацию и уменьшает на I...2 % количество вводимой сахарозы. ФП глюкоизомеразы получают из актиномицетов и бактерий. Они способствуют изомеризации глюкозы во фруктозу (на 45.-50%) и применяются для получения глюкозофруктозных сиропов (ГФС). Для получения ГФС сначала проводят ферментативный гидролиз крахмала га-амилазой, а затем глкжоамилазой до глюкозы. ГФС можно добавлять в хлебобулочные, кондитерские изделия для увеличения срока их хранения, в продукты детского и диетического питания и т. п. Целлюлолитические и гемицсллюлазные препараты — наиболее перспективны для гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозьг из растительного сырья и получения глюкозы, которая в дальнейшем может использоваться при производстве ГФС, спирта, ксилита, кормовых препаратов и других продуктов микробиологического синтеза. Эти препараты повышают выход готовой продукции, поэтому их можно использовать при создании безотходных технологий, при получении новых источников пищевых ресурсов на основе непищевого сырья. Однако целлюлоза является сложным субстратом для расщепления ферментами. Во всем мире идут поиски продуцентов, которые были бы экономически рентабельными для получения целлюлолитических и гемицеллюлазных ФП. В настоящее время препараты этих ферментов, получаемые из плесневых грибов, применяют в спиртовой и пивоваренной промышленности: они гидролизуют некрахмалистые полисахариды (клетчатку, гемииеллюлозу, пентозаны), увеличивая выход продукции. 2 Микроорганизмы - продуценты ферментных препаратов Наиболее часто в качестве продуцентов ферментов в производстве используются плесневые грибы, реже — дрожжеподобные организмы и споровые бактерии. Плесневые грибы. Для получения амилаз широко применяют плесневые грибы рода Aspergillius, видов niger, orizae, usamii, awamori, batatae; рода Rhizopus, видов delemar, tonkinensis, niveus, japonicum и др., а также отдельные представители Neurospora crassa и Mucor. Плесневые грибы очень широко распространены в природе; основное место их обитания — почва. Несмотря на наличие многих родов и видов плесневых грибов все они характеризуются нитевидным строением тела и специфическим строением плодоносящих органов. Тело гриба состоит из длинных переплетенных нитей сероватого или белого цвета, называемых гифами. Гифы распространяются по поверхности питательного субстрата, образуя мицелий и частично врастают в него. Некоторые гифы, поднимающиеся над поверхностью в виде легкого пушка, имеют более сложное строение и представляют собой органы плодоношения, называемые конидиеили спорангиеносцами. У мукоровых грибов на конце спорангиеносца находится шаровидное вздутие, окруженное оболочкой, внутри которого образуются споры. У аспергиллов конец конидиеносца имеет булавовидное утолщение, от которого отходят удлиненные клетки, называемые стеригмами; от стеригм отшнуровываются более мелкие круглые клетки — конидии. Отделившиеся конидии или споры, попадая в благоприятные условия, начинают прорастать, затем гифы ветвятся, образуя мицелий; при истощении питательных веществ в среде гриб переходит - в стадию споро- или конидиебразования. Споры и конидии плесневых грибов содержат пигменты, что и придает зрелым культурам характерную окраску. На рисунке 1 показана морфология плесневых грибов. Для осахаривания на спиртовых заводах чаще используются аспергиллы: при поверхностном культивировании — Asp. oryzae и Asp. awamori, а в последнее время высокоактивный по глюкоамилазе штамм Rhizopus delemar В; при глубинном культивировании — Asp. niger, Asp. usamii Asp. awamori и Asp. Batatae. На спиртовых заводах США используется высокоактивный штамм Asp. ашатоп МКК-3112. Рисунок 1 – Плесневелые грибы: 1 – Asp. Oryzae; 2 - Asp. Niger, 3 – Penicillium, 4 – Mucor, a – мицелий; б – конидиеносцы; в - конидии и споры Аспергиллы являются типичными аэрофилами, поэтому они могут развиваться только на поверхности твердой или жидкой среды или в жидкой, достаточно аэрируемой среде. Оптимальная температура для, большинства аспергиллов 25—30°С, для некоторых — до 35°С. Большинство грибов при поверхностном культивировании могут переносить кратковременное повышение температуры до 40 и даже 45°С без заметной потери активности ферментов. Оптимальная влажность среды для них около 65%. Для питания аспергиллов необходимы углеводы, азотистые и минеральные вещества. В качестве источника углевода кроме моносахаридов, многих олиго- и полисахаридов могут служить спирты и органические кислоты, однако для накопления амилазы в среде обязательно должны присутствовать крахмал, декстрины или мальтоза. На средах, содержащих другие сахара, в том числе глюкозу грибы амилазы не образуют. Источником азота могут быть белки и их гидролизаты, аммонийные соли и нитраты. Среда должна содержать соединения, в состав которых входят сера, фосфор, калий, магний и микроэлементы. Большинство плесневых грибов усваивают серу из сульфатов, а фосфор — из солей фосфорной кислоты. Аспергиллы не нуждаются в готовых витаминах и факторах роста, так как способны сами синтезировать их из более простых химических соединений, содержащихся в среде. Препараты ферментов из плесневых грибов содержат, как правило, широкий набор ферментов, поэтому во многих случаях могут полностью заменять зерновой солод. В последнее время на спиртовых заводах стал широко применяться высокоактивный по глюкоамилазе штамм Asp.awamori-466, выращиваемый на концентрированном кукурузном сусле 18% сухих веществ). Готовая культура имеет активность до 250ед. ГлА на 1 мл, но других амилолитических ферментов, а также протеазы практически не образует. В связи с этим эту культуру целесообразно применять в смеси с другими культурами, продуцирующими a-амилазу и протеолитические ферменты. Дрожжеподобные организмы. Амилолитические ферменты синтезируют также некоторые дрожжи и дрожжеподобные грибы родов Saccharomyces, Candida, Endomycopsis и Endomyces. В спиртовом производстве нашли применение End.bispora и End.species 209, выращиваемые глубинным способом и продуцирующие главным образом активную глюкоамилазу; а-амилазная активность проявляется слабо. Высокоактивный штамм End.bispora имеет разветвленный мицелий, образует бластоспоры; гифы — септированные, зернистые. На твердых агаризованных средах образует колонии с воздушным серовато-белым мицелием, на жидких питательных средах — гифы и некоторое количество бластоспор. Дрожжеподобные грибы в спиртовом производстве самостоятельно не применяются, так как не содержат других ферментов, необходимых для нормального осахаривания сусла из крахмалсодержащего сырья. Обычно они используются в смеси с ферментными препаратами из плесневых грибов или бактерий. Бактерии. Многие бактерии, способны синтезировать активные амилазы: Bac.subtilis, Bac.diastaticus, Bac.mesentericus, Bac.mecerans, Вас.polymyxa и некоторые другие. Бактерии — продуценты амилолитических ферментов представляют собой палочки длиной 1,2—1,3 мкм и диаметром 0,6—0,8 мкм. Палочки соединяются по две, три, иногда образуют цепочки. Цикл развития у бактерий короче, чем у плесневых и дрожжеподобных грибов. Например, культура Вас.diastaticus выращивается в глубинных условиях при температуре 60°С в течение 10—12 ч. Бактерия Вас.mesentericus, применяемая в настоящее время на спиртовых заводах как продуцент а-амилазы в смеси с препаратами глюкоамилазы, выращивается в течение 24—36 ч при температуре 40°С. Особенность бактерий — их способность образовывать высокоактивную термостойкую- а-амилазу, необходимую на стадии подваривания замесов и осахаривания сусла для разжижения и декстринизации крахмального клейстера. 3 Сущность препаратов технологического процесса производства ферментных Для получения ферментных препаратов используют как микроскопические грибы, так и бактерии и дрожжи. Иногда получение технического ферментного препарата кончается проведением процесса ферментации, например в спиртовой промышленности для осахаривания крахмала используют жидкую культуру Aspergillus niger, выращенную глубинным методом культивирования на спиртовой барде с добавками крахмала ( 1 % ) и различных солей. Впоследствии ее добавляют в жидком виде в количестве 10—12% к осахариваемому затору. Однако активность ферментов в культуральной жидкости быстро снижается. Поэтому широко практикуют получение сухих технических ферментных препаратов. Глубинный метод производства ферментов. В этом случае микроорганизмы выращиваются в жидкой питательной среде. Технически более совершенен, чем поверхностный, так как легко поддается автоматизации и механизации. Концентрация фермента в среде при глубинном культивировании обычно значительно ниже, чем в водных экстрактах поверхностной культуры. Это вызывает необходимость предварительного концентрирования фильтрата перед его выделением. При глубинном культивировании продуцентов ферментов выделяют, как и в любом биотехнологическом процессе, 5 этапов. 1. Приготовление питательных сред зависит от состава компонентов. Некоторые предварительно измельчают, отваривают или гидролитически расщепляют. Готовые к растворению компоненты подают при постоянном помешивании в емкость для приготовления среды в определенной последовательности. Стерилизацию среды проводят либо путем микрофильтрации с помощью полупроницаемых мембран, либо при помощи высоких температур. Время обработки в этом случае зависит как от интенсивности фактора, так и от уровня обсемененности объекта. Стерилизуются также все коммуникации и аппараты. Воздух очищается до и после аэрирования. До - потому что содержит частицы пыли органической и неорганической природы, после - так как несет клетки продуцента. 2. Получение засевного материала. Для засева питательной среды материал готовят также глубинным методом. Вид его зависит от продуцента: для грибов это мицелиальная вегетативная масса, для бактерий - молодая растущая культура на начальной стадии спорообразования. Получение посевного материала состоит в увеличении массы продуцента в 3-4 стадии. Объем посевного материала зависит от физиологических особенностей продуцента. Если продуцент размножается только вегетативно, он резко возрастает (до 5-20%). Если же происходит обильное спороношение - сокращается до 1%. 3. Производственное культивирование. Биосинтез ферментов в глубинной культуре протекает в течение 2-4 суток при непрерывной подаче воздуха и перемешивании. Высокая концентрация питательных веществ на первых этапах могут тормозить рост биомассы продуцента, поэтому часто свежая среда или некоторые её компоненты вводятся в ферментер на стадии активного роста. Температурный оптимум находится в интервале 22-32оС. В современных технологических процессах ведется непрерывное автоматическое определение содержания в среде углеводов, количества образовавшихся метаболитов и концентрации клеток. Данные поступают в компьютер, который определяет стратегию коррекции процесса и автоматически регулирует его. Этим достигается максимальная производительность и наилучшее качество продуктов. 4. Выделение. В мицелии трёхсуточной культуры обычно остается не более 15% ферментов. Остальные выделяются в окружающую клетки жидкую среду. В этом случае препараты ферментов выделяют из фильтратов после отделения биомассы. 5. Получение товарной формы. Производство ферментов при поверхностном культивировании продуцентов. При поверхностном методе культура растет на поверхности твердой увлажненной питательной среды. Мицелий полностью обволакивает и довольно прочно скрепляет твердые частицы субстрата, из которого получают питательные вещества. Поскольку для дыхания клетки используют кислород, то среда должна быть рыхлой, а слой культуры-продуцента небольшим. Выращивание производственной культуры происходит обычно в асептических условиях, но среду и кюветы необходимо простерилизовать. Перед каждой новой загрузкой также необходима стерилизация оборудования. Преимущества поверхностной культуры: значительно более высокая конечная концентрация фермента на единицу массу среды (при осахаривании крахмала 5 кг поверхностной культуры заменяют 100 кг культуральной жидкости), поверхностная культура относительно легко высушивается, легко переводится в товарную форму. Посевной материал может быть трёх видов: - культура, выросшая на твердой питательной среде; - споровый материал; - мицелиальная культура, выращенная глубинным способом. В три этапа получают и посевную культуру. Сначала музейную культуру продуцента пересевают на 1 - 1.5 г увлажненных стерильных пшеничных отрубей в пробирку и выращивают в термостате до обильного спорообразования. Второй этап аналогично, но в колбах, третий - в сосудах с 500 г среды. Основу питательной среды составляют пшеничные отруби, как источник необходимых питательных и ростовых веществ. Кроме того, они создают необходимую структуру среды. Для повышения активности ферментов к отрубям можно добавлять свекловичный жом, соевый шрот, крахмал, растительные отходы. Стерилизуют среду острым паром при помешивании (температура - 105-140 С, время 60-90 минут). После этого среду засевают и раскладывают ровным слоем в стерильных кюветах. Кюветы помещают в растильные камеры. Культивируют в течение 36-48 часов. Рост делится на три периода, примерно равных по времени. Сначала происходит набухание конидий и их прорастание (температура не ниже 28о С), затем рост мицелия в виде пушка серовато-белого цвета (необходимо выводить выделяемое тепло) и образование конидий. Для создания благоприятных условий роста и развития продуцента необходима аэрация и поддержание оптимальной влажности (55-70%). Выросшая в неподвижном слое при поверхностном культивировании культура представляет корж из набухших частиц среды, плотно связанных сросшимся мицелием. Массу размельчают до гранул 5-5 мм. Культуру высушивают до 10-12% влажности при температурах не выше 40оС, не долее 30 минут. Иногда препарат применяют прямо в неочищенном виде - в кожевенной и спиртовой промышленности. В пищевой и особенно медицинской промышленности используются ферменты только высокой степени очистки. Схема очистки сводится к следующему: - освобождение от нерастворимых веществ; - освобождение от сопутствующих растворимых веществ; - фракционирование (как правило, хроматографическими методами). Для выделения фермента из поверхностной культуры необходима экстракция. Как правило, экстраген - вода. При этом в раствор переходят сахара, продукты гидролиза пектиновых веществ и целлюлозы. Стадию выделения и очистки завершает сушка. После сушки препарат должен содержать не более 6-8% влаги, тогда он может в герметичной упаковке храниться до года без потери активности. Стандартизация ферментного препарата доводка активности фермента до стандартной, соответствующей требованиям ГОСТ. Для этого используются различные нейтральные наполнители - крахмал, лактоза и др. Учитывая огромные перспективы применения ферментных препаратов в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, медицине, можно сделать заключение о необходимости расширения исследований в этой области для оптимизации технологии и гарантийного получения высокоактивных и стабильных препаратов микробных ферментов. 1 Микроорганизмы – продуценты аминокислот – аспарагиновой, глутаминовой, лизина и др., применяющихся в пищевой промышленности Производство аминокислот относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза, так как при биологическом синтезе используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной Lформе. Как продуценты лизина изучаются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium, также предложены способы биотехнологического получения изолейцина, треонина при использовании E. coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. За рубежом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium. Аминокислоты играют большую роль в здравоохранении, животноводстве и легкой промышленности. По значению для макроорганизма аминокислоты подразделяют на заменимые и незаменимые. К незаменимым относят те аминокислоты, которые не синтезируются в человеческом и/или животном организме, они должны быть привнесены с пищей или кормом для животных (таблица 1). Таблица 1 – Незаменимые и заменимые аминокислоты Незаменимые Заменимые Аргинин (только для молодых Алании растущих животных) Валин Аспарагин Гистидин Аспарагиновая кислота Изолейцин Глицин Лейцин Глутамин Лизин Глутаминовая кислота Метионин Пролин Треонин Серии Триптофан Тирозин Фенилаланин Цистеин Заменимые синтезируются in vivo из аммиака и различных источников углерода. Микроорганизмы сами синтезируют все необходимые им аминокислоты из аммиака и нитратов, а углеродные "скелеты" — из соответствующих интермедиатов. Исходя из такой оценки аминокислот, ученые давно стремятся использовать способности микроорганизмов продуцировать заменимые и незаменимые аминокислоты в ощутимых количествах. Потребность людей в аминокислотах достаточно велика и этим определяется уровень их производства в мире (порядка 500 тыс. тонн в год). Специфические ферменты, регулирующие биосинтез аминокислот, широко распространены у бактерий; они с определенной глубиной изучены у Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Bacillus subtilis и пр. У грибов, в ответ на аминокислотное лимитирование, отмечается некоординированное, параллельное возрастание уровня ферментов, катализирующих реакции биосинтеза различных аминокислот. Этот "общий контроль биосинтеза аминокислот" был также назван "метаболическим интерблоком", или "перекрестнопутевой регуляцией", впервые выявленной у Neurospora crassa в 1965 г. М. Карсиотисом и сотрудниками, а позднее — у Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans и других грибов. В гиперпродукции отдельных аминокислот культурами E.coli, Serratia marcescens и др. важную роль играют Feedbackингибиция и Feedback-репрессия, например, при биосинтезе ароматических аминокислот на последних стадиях. Штаммы — сутгерпродуценты, эксплуатируемые в производстве, как правило, получены с использованием методов генетики и селекции. В любом живом организме аминокислоты расходуются прежде всего на биосинтез первичных метаболитов — ферментных и неферментных белков. Следовательно, кроме бдосинтеза аминокислот de пото,возможен другой путь их получения, а именно — из гидролизатов соответствующих белков (триптофан разрушается при кислотном гидролизе), в том числе — из нативной биомассы микробных клеток. Природные аминокислоты являются, как правило, оптически активными Lформами, тогда как аминокислоты, получаемые химическим синтезом, являются рацемическими смесями L- и D-форм, которые трудно разделить. Вот почему микробный синтез с помощью коринебактерии и некоторых других микробов является ныне основным и экономически выгодным. Первое место здесь по праву занимает Япония, где лишь глутаминовой кислоты изготавливается свыше 100 тыс. тонн в год; большинство природных незаменимых аминокислот производит фирма "Такеда". С. Киношита, впервые в 50-е годы открывший и доказавший перспективность микробного синтеза, уже в 1963 г. прогнозировал: "Мало сомнения в том, что недалеко то время, когда с помощью микроорганизмов будет возможно производить все известные аминокислоты". Это время наступило уже к 70-м годам. Получены микробы — суперпродуценты из родов Brevrbacterium, Corynebacterium, Micrococcus и др., с помощью которых освоено крупнотоннажное производство не только глутамата, но и L-лизина, L-валина, L-ГИ^тидина и других. При суперпродукции уровень экспрессии клонированного гена выражается в синтезе специфического белка в количестве не менее 2% от всех растворимых белков клетки-хозяина. В настоящее время имеются суперпродуценты, у которых количество синтезируемого специфического белка достигает 10—50% (здесь важнейшую роль играют многокопийные плазмиды, несущие встроенные гены). Генно-инженерными методами во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов (Москва) был получен штамм E.coli, обладающий сверхпродукцией L-треонина (30 г/л за 40 часов ферментации). С любым штаммом — продуцентом какой-либо аминокислоты необходимо внимательное и бережное обращение в целях поддержания ее в активном состоянии в течение длительного времени. 2 Биотехнология производства аминокислот Технология получения аминокислот базируется на принципах ферментации продуцентов и выделении вторичных метаболитов, то есть размножают маточную культуру вначале на агаризованной среде в пробирках, затем — на жидкой среде в колбах, инокуляторах и посевных аппаратах, а затем в головных (основных) ферментаторах. Изолированные чистые кристаллы целевого продукта обычно высушивают под вакуумом и упаковывают. Если аминокислота предусмотрена в качестве добавки к кормам, то биотехнологический процесс кормового продукта включает следующие стадии: ферментацию, стабилизацию аминокислоты в культуральной жидкости перед упариванием, вакуум-упаривание, стандартизацию упаренного раствора при добавлении наполнителя, высушивание и упаковку готового продукта, в котором должно содержаться не более 10% основного вещества. Например, в промышленности изготавливают сухой кормовой и жидкий кормовой концентраты лизина наряду с кристаллическим лизином (рис. 1). Рисунок 1 – Технологическая схема получения лизина: 1 – емкость для культуральной жидкости (КЖ); 2 – ионообменные колонны; 3 – сборник элюата; 4 – сборник фильтрата; 5 – емкость для элюата; 6 – насос; 7 – вакуум-выпарной аппарат; 8 – циклон; 9 – сушилка кормового концентрата; 10 – сборник; 11 – реакторкристаллизатор; 12 – центрифуга; 13 - сушилка Если концентрат содержит 70-80% сухих веществ, то он достаточно устойчив против микробной порчи за счет повышенной осмотической концентрации ингредиентов. Известны два способа получения аминокислот: одноступенчатый и двухступенчатый. Согласно первому способу, например, мутантный полиауксотрофный штамм — продуцент аминокислоты культивируют на оптимальной для биосинтеза среде. Целевой продукт накапливается в культуральнои жидкости, из которой его выделяют. В двухступенчатом способе микроб-продуцент культивируют в среде, где он получает и синтезирует все необходимые ингредиенты для последующего синтеза (в идиофазу) целевого продукта. Схема двухступенчатого процесса может быть представлена в следующем виде: Если ферменты биосинтеза аминокислоты накапливаются внутриклеточно, то после 1-й ступени клетки сепарируют, дезинтегрируют и применяют клеточный сок. В других случаях для целей биосинтеза целевых продуктов применяют непосредственно, клетки. Экономически целесообразными являются способы получения аминокислот с помощью иммобилизованных ферментов и клеток. Сравнительно давно реализован процесс получения L-аспарагиновой кислоты из фумаровой и аммиака в одну стадию с помощью иммобилизованных клеток E.coli или Pseudomonas aeruginosa, обладающих аспартазной активностью (Е): Аспартаза катализирует реакцию присоединения аммиака к фумаровой кислоте. Фермент в иммобилизованном состоянии сохраняет активность на исходном уровне до 2—2,5 недель и более. L-Аспарагиновую кислоту можно получить и с помощью иммобилизованных клеток, что существенно повышает длительность функционирования системы, производительность которой по целевому продукту составляет около 2000 кг с 1 м3 биореактора. Периодические ферментации используют при получении других L-аминокислот (глутаминовой, фенилаланина, лизина, триптофана и др.). При этом культивируют обычно специальные мутан-тные штаммы, метаболизм которых по целевому продукту изучен достаточно полно. Так, например, установлено, что лимитирующим агентом коринебактерий, образующих глутаминовую кислоту, является биотин (витамин В2, витамин Н) в дозе 1—5 мкг/л. Биотин индуцирует структурнофункциональные изменения в клеточной мембране, благодаря чему увеличивается ее проницаемость для глутаминовой кислоты, выходящей из клетки в культуральную жидкость. Отдельные штаммы продуцентов способны накапливать ее более 50 г/л на мелассных средах. Роль биотина аналогична в случае получения L-пролина, являющегося производным L-глутаминовой кислоты. 1 Фототрофные микроорганизмы - продуценты биологически активных добавок к пище (БАД) Еще в середине прошлого века стали известны бактерии, имеющие в массе красный или зеленый цвет. Соответственно такой окраске они получили названия «пурпурные бактерии» и «зеленые бактерии». Дальнейшие исследования показали, что эти микроорганизмы содержат пигменты, похожие на хлорофиллы растений. Кроме того, было отмечено, что рост их зависит от наличия света или стимулируется в его присутствии. Поэтому неоднократно высказывалось предположение о способности пурпурных и зеленых бактерий к фотосинтезу. Окончательно это доказал Ван-Ниль, основная работа которого была опубликована в 1931 г. С этого момента начинается новый этап в изучении пурпурных и зеленых бактерий. Открытие бактериального фотосинтеза имело также большое значение для понимания сущности этого процесса у растений, поскольку наряду с некоторыми особенностями он характеризуется общими закономерностями. В настоящее время фототрофные бактерии широко используют для исследования фотосинтеза в различных аспектах, особенно начальных стадий, поскольку они удобны для изучения этого сложного вопроса. Кроме того, пурпурные и зеленые бактерии интересны для выяснения организации фотосинтезирующего аппарата, путей биосинтеза пигментов, метаболизма углерода, эволюции фотосинтеза и фотосинтезирующих форм. Привлекают они к себе внимание и в связи с другими биологическими проблемами, в частности фиксацией молекулярного азота, а также круговоротом углерода и серы в природе. Сделаны первые шаги для практического использования фототрофных бактерий при очистке сточных вод и для получения дешевого корма. Фототрофные, или фотосинтезирующие, бактерии — типично водные микроорганизмы, распространенные в пресных и соленых водоемах. Особенно часто они встречаются в местах, где есть сероводород, как в мелководье, так и на значительной глубине. В почве фототрофных бактерий мало, но при затоплении ее водой они могут расти весьма интенсивно. Развитие фототрофных бактерий нередко легко обнаружить, не прибегая к постановке накопительных культур и микроскопическим исследованиям, так как многие из них способны образовывать ярко окрашенные пленки, а также обрастать подводные предметы. Такие макроскопические скопления наблюдаются в серных источниках, лиманах, бухтах, озерах и прудах. Иногда в результате массового развития фототрофных бактерий меняется даже цвет всей воды в водоеме или отдельные ее слои становятся окрашенными. Последнее явление довольно часто имеет место в некоторых озерах, содержащих в придонных слоях сероводород. По всем данным пурпурные и зеленые бактерии — наиболее древние фотосинтезирующие организмы, существующие в настоящее время. Из других фототрофов к ним близки по организации сине-зеленые водоросли, которые в последнее время часто называют сине-зелеными бактериями или цианобактериями, поскольку они относятся к прокариотам. Предлагается даже ввести следующие названия: Rhodobacteria (пурпурные бактерии), Сhlогоbacteria (зеленые бактерии) и Cyanobacteria (сине-зеленые бактерии). Однако только пурпурные и зеленые бактерии осуществляют фотосинтез без выделения кислорода. Кроме того, они отличаются от остальных фотосинтезирующих форм, в том числе и от сине-зеленых водорослей, составом хлорофиллов и других пигментов. Биологически активные кормовые добавки (БАКД) и минерально–витаминные премиксы (МВП) играют огромную роль в вопросах интенсификации животноводства и культивировании новых пород. В условиях резкого спада производства и роста цен на высокобелковые корма животного и растительного происхождения, поиски нетрадиционных источников кормовых добавок и витаминов имеют актуальное значение. Одним из таких рекомендуемых добавок является выращенная биомасса сине– зеленой водоросли «спирулина платенсис» (Spirulina platensis Geitl.) в виде сухих, жидких или пастообразных препаратов в качестве кормовой добавки для животных и птицы. Спирулина обладает широким спектром биологической активности, а потому использование её в качестве кормовой добавки позволит: – повысить иммунитет к простудным и инфекционным заболеваниям; – нормализовать обмен веществ; – улучшить состояние кожного и волосяного покрова; – укрепить костяк; – улучшить функции пищеварительной системы; – нейтрализовать и вывести из организма токсины, радионуклиды. То есть, спирулина платенсис – не только ценная кормовая добавка, но и лекарственный препарат, не вызывающий побочных явлений у животных и птиц. 2 Получение БАД В процессе эволюции, проходя жесткие условия конкуренции, клетки спирулины приобрели способность к делению при благоприятных условиях с огромнейшей скоростью – удвоение биомассы за пять часов. Этот факт можно проиллюстрировать так: при правильном культивировании спирулины она растет настолько быстро, что может обеспечить в 20 раз больше протеинов с единицы культивационной площади, чем соя, и в 200 раз больше, чем говядина. Она не нуждается в черноземе, в то время как на получение 1 кг кукурузного протеина уходит 22 кг поверхностного почвенного слоя, а на получение 1 кг говяжьих протеинов - 45 кг зеленой массы. Благодаря своим ценным биологическим и физиологическим свойствам, биомасса спирулины вот уже около полувека - является предметом бизнеса во многих странах мира. Так, годовое производство спирулины в 2005 г в Мексике составило 183 тонн, в Японии – 190 тонн, в Индии и Китае – по 170 тонн. Поначалу сбор спирулины проводили непосредственно в природных щелочных водоемах Африки и Америки, в которых из-за их удобного географического положения и химического состава воды сложились благоприятные условия для роста спирулины. В дальнейшем потребность в спирулине стала возрастать, что привело к разработке новых технологий выращивания спирулины в искусственных водоемах. В последние годы появился ряд серьезных технологических разработок в области культивирования спирулины. Благодаря отдельным ноу-хау, техническим и технологическим решениям, продуктивность спирулины можно увеличить в 5-10 раз (!) по сравнению с известными аналогами. Причем, качественный состав ее в этом случае далеко превосходит состав биомассы, полученной в условиях тропиков или добытой в природе. Кроме того, эта спирулина отличается высокой чистотой и концентрацией биомассы. В настоящее время спирулина используется в 70-ти странах мира. Наиболее крупные ее производства находятся в США, Калифорнии, на Гавайях и в Китае. Среди стран СНГ спирулину производят у нас в Украине, а также России и Молдавии. Существует несколько различных технологий культивирования спирулины – массовая культура под открытым небом в бассейнах при искусственном освещении, интенсивное культивирование в стеклянных тубах, теплицах, а также в замкнутых аппаратах по типу современных микробиологических производств. Примером таких закрытых установок есть фотореакторы каскадного типа, позволяющие выращивать очень чистую спирулину с использованием как искусственного, так и естественного освещения. Разработанный способ отбора клеток спирулины из питательного раствора, дает возможность отбирать наиболее зрелые клетки и не допускает перезревания культуры. Специальная сушка позволяет обеспечить свежесть и чистоту водоросли, сохранить ее биологическую активность, а возможность использования солнечного света дает экономию более 80% электроэнергии. Каждый их этих способов имеет свои технологические различия, преимущества и несовершенства, но цель у всех одна – получение максимального выхода биомассы. Массовая культура под открытым небом. Впервые такие установки были испытаны в начале 50-х годов XX века в Институте Карнеги (США), Японии и других странах. Так, в России первый опыт выращивания спирулины в искусственной среде принадлежит А.С.Фоминцыну. Принципиальная схема культивирования состоит в выращивании водорослей в жидких питательных средах в бассейнах, лотках и других емкостях с различными способами перемешивания, подачи углекислоты и использованием солнечного света. Производительность установок составляет 35-40 г/м2, плотность культуры, при которой ведется выращивание водорослей, варьируется в зависимости от типа установок и составляет приблизительно 25-400 млн. клеток на 1 мл. Продуктивность установок под открытым небом удается повысить организацией систем обогрева и охлаждения и досвечивания культуры искусственными источниками освещения. Интенсивная культура. В 60-х годах XX ст. в различных лабораториях мира был разработан ряд установок и аппаратов высокоинтенсивного управляемого культивирования фотосинтезирующих микроводорослей в полностью контролируемых оптимальных условиях и автоматической регистрацией таких важных физиологических функций культуры, как скорость роста, интенсивность фотосинтеза, минеральное питание. Наиболее совершенный из таких методов культивирования - проточное выращивание водорослей, при котором по сигналам, получаемым от самой культуры, осуществляется автоматический отбор прирастающих клеток (урожая), подача свежей питательной среды и стабилизация оптической плотности культуры. Главное преимущество этих методов - возможность вести длительное непрерывное выращивание водорослей с поддержанием постоянной плотности суспензии, при которой наблюдается максимальный выход биомассы. Урожай в таких установках – примерно 30-40 г сухой биомассы с 1 литра суспензии в сутки, или 80-100 г с 1 м2 освещаемой поверхности. Таким образом, в настоящее время можно считать достаточно детально разработанными физиологические основы культивирования микроскопических фотосинтезирующих водорослей и технологию их выращивания как в установках под открытым небом, так и закрытых аппаратах. Традиционный подход к производству биологически активных добавок на основе Spirulina Platensis предполагает удаление влаги из клеток микроводорослей спирулины методом термо- и криосушки. Это, конечно, облегчает жизнь производителям: сокращаются затраты на производство продукта, его перевозку, хранение и т.д. Однако при этом потребитель соответственно получает лишь отдаленное подобие биологической активности спирулины. Дело в том, что в период удаления внутриклеточной воды из спирулины (сушки) ее белковые комплексы денатурируют, т.е. белок теряет четвертичную и третичную структуры, которые поддерживают атомы водорода, входящие в состав воды. При этом теряется аура живых клеток спирулины. Одним словом, сухая спирулина – это мертвый продукт. 3 Применение БАД в пищевой промышленности В соответствии с действующим в нашей стране санитарным законодательством под термином «пищевые добавки» понимают природные или синтезированные вещества, преднамеренно вводимые в пищевые продукты с целью придания им заданных свойств, например органолептических, и не употребляемые сами по себе в качестве пищевых продуктов или обычных компонентов пищи. Пищевые добавки можно вводить в пищевой продукт на различных этапах производства, хранения либо транспортирования в целях улучшения или облегчения технологического процесса, увеличения стойкости к различным видам порчи, сохранения структуры и внешнего вида продукта или намеренного изменения органолептических свойств. Большинство таких добавок не имеют, как правило, пищевого значения и в лучшем случае являются биологически инертными, а в худшем — биологически активными и небезразличными для организма. В то же время любое химическое соединение или вещество в определенных условиях может быть токсичным. В этой связи более уместно говорить о безвредности, под которой следует понимать не только отсутствие каких-либо токсичных проявлений, но и отдаленных последствий: канцерогенных и коканцерогенных свойств (способность вызывать развитие злокачественных опухолей), а также мутагенных, тератогенных, гонадотоксических (способность вызывать мутации, уродства) и других свойств, влияющих на воспроизводство потомства. Немаловажным фактором является также возможное взаимодействие тех или иных веществ, применяемых в качестве пищевых добавок, с вредными химическими веществами, которые попадают в организм человека из окружающей среды (профессиональные вредности, неблагоприятная экологическая обстановка). Введение пищевых добавок с точки зрения технологии может быть направлено: - на улучшение внешнего вида и органолептических свойств пищевого продукта; - на сохранение качества продукта в процессе его хранения; - на ускорение сроков изготовления пищевых продуктов. В соответствии с технологическим предназначением пищевые добавки можно сгруппировать следующим образом. A. Пищевые добавки, обеспечивающие необходимые внешний вид и органолептические свойства продукта. Эта группа включает: - улучшители консистенции; - пищевые красители: - ароматизаторы; - вкусовые вещества. Б. Пищевые добавки, предотвращающие микробную или окислительную порчу продуктов (консерванты). К ним относятся: - антимикробные средства — химические, биологические; - антиокислители (антиоксиданты), препятствующие химической порче продукта (окислению). B. Пищевые добавки, необходимые в технологии производства пищевых продуктов: - ускорители технологического процесса; - фиксаторы миоглобина; - технологические пищевые добавки — разрыхлители теста, желеобразователи, пенообразователи, отбеливатели и др. Г. Улучшители качества пищевых продуктов. Пищевая добавка может состоять из одного единственного химического вещества, быть сложной смесью или представлять собой естественный продукт. Необходимость полной информации о химическом составе, в том числе описание, сырье, методы производства, анализ загрязнителей, одинаково относится к каждому типу добавок. В то же время требования к получению регламентирующих данных о химическом составе пищевых добавок могут быть разными в зависимости от вида оцениваемого вещества. Например, если добавка состоит из одного вещества, практически невозможно удалить все загрязнители при его производстве. Поэтому в данном случае проводится в основном анализ самых значительных компонентов и предполагаемых загрязнений, причем особое внимание уделяется потенциально токсичным загрязнителям. Для коммерчески производимых сложных смесей (таких, как моно- и диглицериды и т.п.) нужна информация в отношении тех веществ, которые выпускает промышленность. В этом случае особого внимания заслуживают описания технологического процесса, подкрепленные данными анализа компонентов различных коммерческих продуктов. Для пищевых добавок, производимых из природных продуктов, чрезвычайно важно определить источник и методы производства. Данные о химическом составе должны включать анализ общих химических характеристик, таких, как содержание белков, жиров, углеводов, минеральных веществ, влаги, а также специфических токсичных загрязнителей, которые переходят в продукт из сырья или химических соединений, используемых при производстве добавки. 1 Современная пищевая биотехнология 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: - Создание новых штаммов микроорганизмов, используемых в качестве заквасок в молочной промышленности, в виноделии, пивоварении; - Разработка новых штаммов - продуцентов веществ и соединений, применяемых в пищевой промышленности (органических кислот, пищевых добавок, компонентов биологически активных добавок и др.); - 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.; - 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 микроорганизмовпродуцентов (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. 2 Использование пищевых добавок Использование пищевых добавок являются многоцелевой областью пищевой промышленности. Их применяют для сохранения продуктов (консерванты и загустители), улучшения их внешнего вида (пищевые красители и ароматизаторы) и вкусовых качеств (подсластители и т.д.), а также для придания продуктам дополнительных полезных свойств (например, молочные продукты с бифидобактериями или продукты с повышенным содержанием йода и других, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека, микроэлементов). Кроме того, существуют специальные пищевые добавки для людей, страдающих заболеваниями, связанными с нарушением метаболизма (например, выпускаются специальные продукты с заменителями сахара для больных диабетом). Использование различных пищевых добавок в производстве продуктов питания кроме очевидного блага, таит в себе ряд опасностей. Некоторые из разрешенных в настоящее время пищевых добавок наносят вред организму, вызывая различные нарушения и аллергические реакции. твует, что в общей структуре потребления витаминов 25–30% расходуется на нужды медицины и пищевой промышленности, а 70–75% используется в животноводстве. Полнорационный комбикорм должен обязательно содержать витамины А, Д, Е, В1, В2, В3, В4, В5 и В12, а также 8 микроэлементов. Всего в состав комбикорма входят более 200 различных веществ, которые в ходе подготовки сырья, производства комбикорма и далее в процессе хранения, готовых кормов претерпевают сложные биохимические превращения. 3 Консерванты, ароматизаторы, красители, компоненты пищевых добавок Пищевые добавки делятся на 4 группы: 1.Добавки, регулирующие вкус и аромат пищевых продуктов и напитков (усилители вкуса и аромата, ароматизаторы, подсластители, заменители соли и сахара, кислоты, подкислители) или улучшающие цвет пищевых продуктов и напитков (стабилизаторы окраски, красители, отбеливатели); 2. Добавки, регулирующие консистенцию и формирующие текстуру продуктов (гелеобразователи, загустители, пенообразователи, эмульгаторы, наполнители и т. д.); 3. Добавки, повышающие сохранность продуктов питания и увеличивающие сроки их хранения (консерванты, защитные газы, антиокислители и их уплотнители, влагоудерживающие агенты, антислеживающие агенты, пленкообразова тели, стабилизаторы); 4. Добавки, облегчающие и ускоряющие ход технологических и биотехнологических процессов (ферментные препараты, разрыхлители, экстрагенты, осветлители, осушители, пеногасители, хлебопекарные и кондитерские улучшители и др.). Большинство пищевых добавок имеют комплексные технологические функции, которые проявляются в зависимости от особенностей пищевой системы. Приведенная классификация основана на технологических функциях пищевых добавок, к которым не относят вещества и соединения, повышающие пищевую ценность продуктов питания, например витамины, макроэлементы, аминокислоты. Выделяют ряд функциональных классов пищевых добавок, их определений и подклассов. Класс 1. Кислоты (Acid) — повышают кислотность и придают кислый вкус пище. Класс 2. Регуляторы кислотности (Acidify regulator) — изменяют либо регулируют кислотность или щелочность пищевого продукта. Класс 3. Вещества, препятствующее слеживанию и комкованию (Anticaking agent), — снижают тенденцию частиц пищевого продукта прилипать друг к другу. Класс 4. Пеногасителн (Antifoaming agent) — предупреждают или снижают образование пены. Класс 5. Антиокислители (Antioxidant) — повышают срок хранения пищевых продуктов, защищая от порчи, вызванной окислением. Класс 6. Наполнители (Bulking agent) — вещества, которые увеличивают объем продукта, не влияя на его энергетическую ценность. Класс 7. Красители (Color) — усиливают или восстанавливают цвет. Класс 8. Вещества, способствующие сохранению окраски (Color retention agent), — стабилизируют, сохраняют или усиливают окраску продукта. Класс 9. Эмульгаторы (Emulsifier) — образуют или поддерживают однородную смесь двух или более несмешиваемых фаз, таких, как масло и вода, в пищевых продуктах. Класс 10. Эмульгирующие соли (Emulsifying salt) — взаимодействуют с белками сыров и таким образом предупреждают отделение жира при изготовлении плавленых сыров. Класс 11. Уплотнители растительных тканей (Firming agent) — придают или сохраняют ткани фруктов и овощей плотными и свежими, взаимодействуют со студнеобразующими веществами. Класс 12. Усилители вкуса н запаха (Flavour enhancer) — усиливают природные вкус и запах пищевых продуктов. Класс 13, Вещества для обработки муки (Flour treatment agent) — вещества, добавляемые к муке для улучшения ее хлебопекарных свойств, качества или цвета. Класс 14. Пенообразователи (Foarming agent) — создают условия для равномерной диффузии газообразной фазы в жидкие и твердые пищевые продукты. Класс 15. Гелеобразователн (Gelling agent) — вещества, образующие гели. Класс 16. Глазнрователи (Glaiing agent) — вещества, придающие блестящую наружную поверхность или защитный слой. Класс 17. Влагоудерживающие агенты (Humectant) — предохраняют пищу от высыхания. Класс 18. Консерванты (Preservative) — повышают срок хранения продуктов, защищая от порчи, вызванной микроорганизмами. Класс 19. Пропелленты (Propellant) — газообразные вещества, выталкивающие продукт из контейнера. Класс 20. Разрыхлители (Raising agent) — вещества или сочетание веществ, которые увеличивают объем теста. Класс 21. Стабилизаторы (Stabilizer) — позволяют сохранять однородную смесь двух или более несмеитиваемых веществ в пищевом продукте или готовой пище. Класс 22. Подсластители (Sweetener) — вещества несахарнои природы, которые придают пищевым продуктам и готовой пище сладкий вкус. Класс 23. Загустители (Thickener) — повышают вязкость пищевых продуктов. Все компоненты, применяемые в соответствии с Codex Alimentarius, имеют в списке INS (International Numeral System — Международная цифровая система) свой номер. Это делает идентификацию вещества легкой и точной, защищая от ошибок при переводе, а также позволяет выделять их в продуктах питания. Система INS-номеров разработана на основе цифровой системы классификации пищевых добавок, принятой в странах Европы, для краткости ее называют системой Е-нумерации. Индексы Е (от слова Europe) заменяют собой длинные названия пищевых добавок. Эти коды, или идентификационные номера, используют только в сочетании с названиями функциональных классов добавок. Согласно Европейской цифровой кодификации пищевые добавки подразделяют следующим образом: Е 100—Е 182 — красители; Е 200— Е 299 — консерванты; Е 300—Е 399 — антиокислители (антиоксиданты); Е 400— Е 449 — стабилизаторы консистенции; Е 450—Е 499 — эмульгаторы; Е 500—Е 599 — регуляторы кислотности, разрыхлители; Е 600—Е 699 — усилители вкуса и аромата; Е 700 — Е 800 — запасные индексы для другой возможной информации; Е 900 и далее — антифламинги, улучшители качества хлеба и т.д. В некоторых случаях после названия пищевой добавки или заменяющего его индекса может стоять ее концентрация. Наличие пищевых добавок в продуктах должно указываться на потребительской упаковке, этикетке, банке, пакете и в рецептуре. В настоящее время вопросами применения пищевых добавок занимается специализированная международная организация Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам и контаминатам (загрязнителям) — JECFA (ФАО — Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН; ВОЗ — Всемирная организация здравоохранения.) Для выполнения Объединенной программы ФАО/ВОЗ по пищевым стандартам при комитете создана специальная комиссия Codex Alimentarius, представляющая собой межправительственный орган, который включает более 120 государств-членов. 4 Генетически модифицированные продукты В последние годы все большее влияние на здоровье населения планеты оказывает качество и структура питания. В 1999 г. опубликованы данные, что ежегодно в мире от недоедания и белково-калорийной недостаточности погибает 15 млн. человек. Результаты широких эпидемиологических исследований и организованного в последние годы Минздравом России мониторинга состояния питания показывают, что структура питания населения России характеризуется продолжающимся снижением потребления наиболее ценных в биологическом отношении пищевых продуктов. Как следствие сложившейся структуры питания на первый план выходят следующие нарушения пищевого статуса: - дефицит животных белков, достигающий 15-20% от рекомендуемых величин; - выраженный дефицит большинства витаминов, выявляющийся повсеместно у более половины населения; - проблема недостаточности макро- и микроэлементов, таких как кальций, железо, фтор, селен, цинк. В международном научном сообществе существует четкое понимание того, что в связи с ростом народонаселения Земли, которое по прогнозам ученых должно достичь к 2050 году 9-11 млрд. человек, необходимо удвоение или даже утроение мирового производства сельскохозяйственной продукции, что невозможно без применения трансгенных растений, создание которых многократно ускоряет процесс селекции культурных растений, увеличивает урожайность, удешевляет продукты питания, а также позволяет получить растения с такими свойствами, которые не могут быть получены традиционными методами. Принцип создания трансгенных растений и животных схожи. И в том, и в другом случае в ДНК искусственно вносятся чужеродные последовательности, которые встраивают, интегрируют генетическую информацию вида. Основные объекты генной инженерии в растительном мире: соя, кукуруза, картофель, хлопчатник, сахарная свекла. При этом вырабатывается повышенная резистентность к колорадскому жуку, к вирусам, защита от насекомых, от всяких бурильщиков, сосальщиков, обеспечивает отсутствие повышенных остаточных количеств пестицидов. Возможно улучшение коммерческих показателей: у томатов – увеличение сроков хранения, у картофеля – повышение крахмалистости, обогащение аминокислотами, витаминами. Путем генной инженерии возможно повышение урожайности на 40-50%. За последние 5 лет в мире земельные площади, используемые под трансгенные растения, увеличились с 8 млн. га до 46 млн. га. Нужно отметить, что ни одна новая технология не была объектом такого пристального внимания ученых всего мира. Все это обусловлено тем, что мнения ученых о безопасности генетически модифицированных источников питания расходятся. Нет ни одного научного факта против использования трансгенных продуктов. В тоже время некоторые специалисты считают, что существует риск выпуска нестабильного вида растений, передача заданных свойств сорнякам, влияние на биоразнообразие планеты, и главное – потенциальная опасность для биологических объектов, для здоровья человека путем переноса встроенного гена в микрофлору кишечника или образование из модифицированных белков под воздействием нормальных ферментов, так называемых минорных компонентов, способных оказывать негативное влияние. Что такое генетически измененный продукт? Это когда выделенный в лаборатории ген одного организма пересаживается в клетку другого. Вот примеры из американской практики: чтобы помидоры и клубника были морозоустойчивее, им "вживляют" гены северных рыб; чтобы кукурузу не пожирали вредители, ей могут "привить" очень активный ген, полученный из яда змеи; чтобы скот быстрее набирал вес, ему вкалывают измененный гормон роста (но при этом молоко наполняется гормонами, вызывающими рак); чтобы соя не боялась гербицидов, в нее внедряют гены петунии, а также некоторых бактерий и вирусов. Соя – один из основных компонентов многих кормов для скота и почти 60% продуктов питания. К счастью, в России, как и во многих странах Европы, генетически измененные сельхозкультуры (в мире их создано больше 30-ти видов) пока не распространяются такими бешеными темпами, как в США, где официально закреплена идентичность "натуральных" и "трансгенных" продуктов питания. Поэтому у нас только самые "продвинутые" покупатели с подозрением относятся к импортным чипсам, томатным соусам, консервированной кукурузе и "ножкам Буша". На данный момент в мире зарегистрировано множество видов продуктов из модифицированной сои, среди которых: фитосыр, смеси функциональные, сухие заменители молока, мороженое, 32 наименования концентратов соевого белка, 7 видов соевой муки, модифицированные бобы сои, 8 видов соевых белковых продуктов, 4 наименования соевых питательных напитков, крупка соевая обезжиренная, комплексные пищевые добавки в ассортименте и специальные продукты для спортсменов, тоже в немалом количестве. Также был выдан "сертификаты качества" одному сорту картофеля и двум сортам - кукурузы. Надзор за генетически модифицированными продуктами осуществляется Научно-исследовательским институтом питания РАМН и также учреждениямисоисполнителями: Институтом вакцин и сывороток им. И. И. Мечникова РАМН, Московским научно-исследовательским институтом гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана Минздрава России. Последнее десятилетие ученые строят неутешительные прогнозы относительно быстрорастущего потребления сельскохозяйственных продуктов на фоне снижения площади посевных земель. Решение данной проблемы возможно с помощью технологий получения трансгенных растений, направленных на эффективную защиту сельскохозяйственных культур и увеличение урожайности. Получение трансгенных растений является на данный момент одной из перспективных и наиболее развивающихся направлений агропроизводства. Существуют проблемы, которые не могут быть решены такими традиционными направлениями как селекция, кроме того, что на подобные разработки требуются годы, а иногда и десятилетия. Создание трансгенных растений, обладающих нужными свойствами, требует гораздо меньшего времени и позволяет получать растения с заданными хозяйственно ценными признаками, а также обладающих свойствами, не имеющими аналогов в природе. Примером последнего могут служить полученные методами генной инженерии сорта растений, обладающих повышенной устойчивостью к засухе. Генетически модифицированные продукты стали одним из достижений биологии ХХ в. Но основной вопрос – безопасны ли такие продукты для человека, пока остается без ответа. Проблема ГМП актуальна, поскольку в ней экономические интересы многих стран приходят в противоречие с основными правами человека. У нас нет полной информации о них и всех последствиях их употребления. Большинство людей не знают о ГМП и возможных последствиях их использования. Раньше люди боялись стихийных бедствий, войн, теперь становится опасно есть мясо и овощи. Чем выше технология, тем выше риск. Людям следует постоянно помнить о простой закономерности: всякая технология имеет очевидные плюсы и неизвестные минусы. 5 Гигиеническая систематика пищевых добавок К пищевым добавкам относят природные или синтетические экологически чистые вещества, которые специально добавляют в пищевые продукты и напитки для выполнения определенных биотехнологических функций. Основными целями введения пищевых добавок в продукты и напитки является: 1. Создание новых или совершенствование уже существующих технологий подготовки и переработки пищевого сырья, а также изготовления, фасовки, транспортировки и хранения продуктов питания. 2. Увеличение стабильности и стойкости пищевых продуктов и напитков к различным видам ухудшения их качественных показателей. 3. Создание и сохранение структуры продуктов питания. 4. Изменение в лучшую сторону или сохранение органолептических свойств и внешнего вида пищевых продуктов и напитков. Все пищевые добавки не должны маскировать последствий использования нестандартного сырья, проведения технологических процессов в антисанитарных условиях и нарушения технологической дисциплины. К пищевым добавкам также относят «непищевые вещества», добавляемые в продукты питания, как правило, в небольших количествах для улучшения внешнего вида, вкусовых качеств, текстуры или для увеличения сроков хранения. Среди основных причин широкого использования пищевых добавок в производстве продуктов питания следует назвать: 1. Современное, па мировом уровне, развитие торговли, приводящее к необходимости перевозки продуктов питания (в том числе скоропортящихся и быстро черствеющих) на большие расстояния; 2. Непрерывно повышающиеся требования современного потребителя к качеству и ассортименту продуктов питания при сохранении невысокой стоимости; 3. Создание новых видов пищевых продуктов и напитков, отвечающим современным требованиям науки о питании; 4. Разработка новой и совершенствование уже существующей технологии новых и традиционных продуктов питания. Стандартизация пищевых добавок характеризуется такими требованиями: 1.Данная конкретная добавка должна быть проверена на безопасность для человека; 2. Добавка может быть рекомендована в рамках ее установленной безопасности и технологической необходимости при условии, что применение этого вещества не введет потребителя в заблуждение относительно типа и состава пищевого продукта и напитка, в которые оно внесено; 3. Для данной добавки должны быть установлены критерии чистоты, необходимые для достижения определенного уровня качества продуктов питания. При определении целесообразности и эффективности применения пищевой добавки как при производстве традиционных пищевых продуктов и напитков, где она ранее не использовалась, так и при создании технологии новых пищевых продуктов и напитков, обязательно необходимо учитывать особенности пищевых систем, в которые вносится пищевая добавка, правильно определить этап и способ ее внесения, оценить экономическую и социальную эффективность ее использования. Следует отметить, что концепция рационального питания, одобренная экспертами ФАО/ВОЗ и принятая в Украине и Российской Федерации, предполагает необходимость поступления в организм среднестатистического человека (здоровый мужчина работоспособного возраста весом около 70 кг) определенного количества компонентов пищи. К ним относятся органические соединения и минеральные вещества, которые непосредственно или в преобразованном виде относятся к разрешенным к применению в пишевой промышленности Украины и РФ пищевым добавкам (их более 250). Из них более 200 пищевых добавок являются непосредственными участниками обменных физиологических процессов, субстратами и регуляторами метаоолизма. Это - белки, витамины, аминокислоты, олигопептиды и производные их соединений, эфиры глицерина, фосфатиды и жирные кислоты, усвояемые красители, сложные и простые углеводы, минералы. В процессе метаболизма в организме человека, прежде всего пластическом и энергетическом видах обмена, остальные пищевые добавки не принимают активного участия. Большая часть таких добавок выводится из организма после окисления, восстановления и гидролиза. Для оценки экологической безопасности пищевых добавок следует учитывать такие критерии: острая токсичность; метаболизм и токсикокинетика; генотоксичность и матагенность (способность вызывать в организме человека наследственные изменения); репродуктивная токсичность, включая тератогенность, то есть способность вызывать аномалии в развитии плода и влияние на способность к воспроизведению потомства; субхроническая токсичность; хроническая токсичность, канцерогенность (способность вызывать раковые опухоли). Известно, что любое вещество может быть как безвредным, так и токсичным, что зависит от способа и количества его применения. Очень важную роль при этом играют: доза (количество вещества, поступающего в организм); длительность потребления; режим поступления; пути поступления в организм человека. О токсичности пищевых добавок судят по клиническим результатам их воздействия на живой организм подопытных животных. С целью гигиенической регламентации пищевых добавок на основе токсипатологических критериев международными организациями ООН (ВОЗ, ФАО и др.), а также органами здравоохранения отдельных государств приняты такие величины: 1. ДСП — допустимое суточное поступление: количество вещества, выражаемое в миллиграммах на 1 кг массы тела в сутки, ежедневное поступление которого в организм в течение всей жизни не оказывает негативного влияния на здоровье человека; 2. ПДК — предельно допустимая концентрация, то есть, предельно допустимое, с точки зрения безопасности для здоровья человека, количество пищевой добавки в продукте питания, выражаемое в миллиграммах на 1 кг продукта, которое регламентируется законом. ПДК характеризуется такой концентрацией, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени не вызывает у настоящего и последующих поколений заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами медицинских исследовании. Расчет и обоснование предельно допустимой концентрации пищевой добавки в пищевых продуктах (ПДК, в мг кг) следует проводить по формуле: где ДСП — допустимое суточное поступление в миллиграммах на 1 кг массы тела в сутки; М — средняя масса тела человека, кг; Р — количество продукта в суточном рационе (кг), в котором может содержаться регламентируемая пищевая добавка. При применении человеком пищевых добавок следует руководствоваться принципом: «Запрещено все, что не разрешено». А поэтому использование в кулинарии, пищевой промышленности и т. п. пищевых добавок запрещено, если они не прошли соответствующую проверку и не получили одобрения соответствующих органов. Международный опыт организации и проведения системных токсикологогигиенических исследований пищевых добавок обобщен в специальном документе ВОЗ «Принципы оценки безопасности пищевых добавок и контаминантов в продуктах питания». Очень важной проблемой при гигиенической регламентации пищевых добавок в продуктах питания является комбинационная токсикология и возможные химические взаимодействия между различными компонентами, что может вызвать нежелательный эффект. Следовательно, внесение различных добавок (особенно красителей) в пищевые продукты требует дополнительных исследовании химического состава смеси. 1 Микроорганизмы - вредители производства, пути их проникновения Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, многие пищевые производства основаны на их жизнедеятельности: хлебопечение, производство хлебопекарных дрожжей, сыроделие, производство спирта, пива, кваса, производство кисломолочных продуктов (творог, сметана, простокваша и др.), кислосливочного масла и маргарина, органических кислот (уксусная, лимонная, молочная) и др. Для получения этих продуктов используют чистые культуры микроорганизмов. С другой стороны, в пищевые производства попадает инфекция, т. е. посторонние микроорганизмы. Это либо неопасные для здоровья человека сапрофиты, которые являются вредителями производства и в результате их жизнедеятельности нарушается технологический процесс, возрастают потери сырья, снижается выход и качество готовой продукции; либо патогенные микроорганизмы, которые могут нанести вред здоровью человека, явиться причиной тяжелых инфекционных заболеваний и пищевых отравлений. На всех пищевых предприятиях необходимо осуществлять строгий микробиологический контроль с целью выявления посторонних микроорганизмов и в случае обнаружения проводить дезинфекцию. На пищевых предприятиях могут быть внешние (внезаводские) и внутренние (внутризаводские) источники инфекции. К внезаводским относятся – сырье, вода, и воздух. К внутризаводским — воздух производственных помещений, производственная культура микроорганизмов, технологическое оборудование, тара, руки, одежда, обувь персонала. Посторонние микроорганизмы, попав в производство, при благоприятных условиях быстро размножаются и, если не принять меры по предотвращению их развития или для их уничтожения, разносятся по всему предприятию. Сырье. Одним из условий получения продукции высокого качества является доброкачественность сырья, что зависит от условий и сроков его хранения. Подробно микрофлора отдельных видов сырья, полуфабрикатов, а также вспомогательных материалов (сахар, соль, специи, ароматические травы и др.), ее происхождение и вред, наносимый ею, рассматриваться в специальных разделах микробиологии конкретно для каждого производства. Вода. Пищевая промышленность насчитывает более 24 отраслей, из которых наиболее водоемкими являются сахарное, масложировое, спиртовое, крахмалопаточное, дрожжевое, пивобезалкогольное и консервное производства. Вода является составной частью промышленной продукции, растворителем, средством транспортирования и мойки сырья, оборудования, охладителем, теплоносителем, используется для поддержания необходимых санитарногигиенических...условий в производственных помещениях и на территории предприятия, для получения пара и т. д. Требования к качеству воды для производственных нужд зависят от ее назначения. Если вода входит в состав готовой продукции (безалкогольные напитки, пиво, компоты, маринады, рассолы и т. п . ) , то она должна быть прозрачной, по возможности бесцветной, без постороннего запаха и вкуса; не должна содержать посторонних примесей влияющих на здоровье человека, а также патогенных микроорганизмов; должна быть свободна от животных и растительных .организмов, паразитов, их яиц и личинок. При использовании микробиологически загрязненной воды в производство могут попасть возбудители инфекционных заболеваний, пищевых отравлений, а также различные сапрофиты – гнилостные, кислотообразующие, споровые формы бактерий, которые могут оказать неблагоприятное влияние не только на ход технологического процесса, но и на качество и стойкость готовой продукции при хранении. Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям из природных источников артезианские и родниковые воды. Ими можно пользоваться без предварительной очистки. Воду из открытых водоемов подвергают специальной обработке на водоочистных станциях. Первым этапом является отстаивание воды в специальных бассейнах (отстойниках) для удаления взвесей, осветления, обесцвечивания воды, удаления нежелательных привкусов и запахов, различных ионов, обессоливания и опреснения воды и т. д. Для ускорения отстаивания и более эффективного осветления и обесцвечивания воды применяют коагулянты (соли алюминия и железа). При взаимодействии коагулянтов с содержащимися в воде углекислыми солями образуются гидроксиды алюминия и трехвалентного железа, выпадающие в виде хлопьев. Оседая, хлопья увлекают за собой взвеси и клетки микроорганизмов. Вторым этапом является фильтрование воды через слой речного песка. В верхних слоях фильтра формируется биологическая пленка, состоящая из содержащихся в воде примесей и хлопьев коагулянтов и содержащая большое количество микроорганизмов. Третий этап — обеззараживание профильтрованной воды, т. е. уничтожение оставшихся в воде микроорганизмов, среди которых могут быть и патогенные, с помощью различных дезинфицирующих средств. В ряде процессов с успехом может использоваться вода непитьевого назначения (для охлаждения оборудования, транспортирования некоторых видов сырья, отходов и др.)- Например, в сахарной промышленности удельный вес технической воды может достигать 90—95% от общего количества потребляемой предприятием воды (включая оборотную воду). Для мойки некоторых видов сырья (картофеля, сахарной свеклы, зерна и др.) и тары с целью экономии чистой воды, сокращения количества сточных вод и моющих препаратов применяется оборотная вода. Оборотная вода перед повторным использованием обязательно подвергается очистке с целью удаления грубых примесей и дезинфекции, а затем используется на тех же операциях или в других аппаратах и процессах. Например, теплая вода после охлаждения оборудования, конденсации паров идет на мойку оборудования, полов. Воздух. В пищевой промышленности микрофлора атмосферного воздуха имеет значение лишь на тех участках технологического процесса, где сырьё, полуфабрикаты или готовый продукт соприкасается с ним. Здесь имеет значение также температура и относительная влажность воздуха. Воздух производственных помещений представляет значительную опасность в пищевых производствах. Он является внутризаводским источником загрязнения сырья, оборудования, производственных культур микроорганизмов и готовой продукции. Поэтому чистота воздуха является важным условием для получения высококачественного готового продукта. Для снижения бактериальной обсеменности воздуха производственных помещений применяют физические способы его очистки. С помощью вентиляции загрязненный воздух удаляется из помещений а на его место поступает более чистый атмосферный воздух. Фильтрация поступающего воздуха через специальные воздушные фильтры значительно повышает эффективность вентиляции. Фильтры, пропитанные специальной пылесвязывающей жидкостью, задерживают до 90—95% микроорганизмов и частиц пыли, находящихся в воздухе. После очистки воздух подвергают дезинфекции. Производственная культура. В тех отраслях пищевой промышленности, где производство основано на жизнедеятельности микроорганизмов, производственная культура (дрожжи, молочнокислые бактерии, мицелиальные грибы и др.) часто служит источником внутризаводской инфекции. Причиной ее загрязнения являются неудовлетворительное санитарное состояние аппаратуры, воды, воздуха, негерметичность производственного оборудования. Даже чистая культура, полученная из аппарата для ее разведения, после соприкосновения с производственной питательной средой и коммуникациями перестает быть чистой, поскольку технологический процесс ведется в нестерильных условиях. Такая культура переносит инфекцию с одного участка технологического процесса на другой, в результате чего загрязняется все оборудование. Технологическое оборудование и тара. Чистота оборудования, аппаратуры, коммуникаций и тары имеет исключительно большое значение для качества готовой продукции. Некачественная мойка, нерегулярная дезинфекция приводит к большой обсемененности продукта и является причиной выпуска недоброкачественной продукции и низкой стойкости ее при хранении. Эффективность мойки и дезинфекции зависит от степени загрязнения материала и состояния обрабатываемых поверхностей оборудования. Остатки полупродуктов и отходов представляют для микроорганизмов хорошую питательную среду, где они начинают быстро размножаться и загрязняют все производство. Поверхность отдельных материалов различна. Так, у алюминия и нержавеющей стали поверхность матовая или полированная до блеска, у стали с эмалированным покрытием и стекла совершенно гладкая, без пор, у резины — пористая, а у древесины — шероховатая. Лучше всего смываются остатки полупродукта и микроорганизмы с оборудования из нержавеющей стали, стекла, органического стекла, стеклопластика, полиэтиленa и алюминия, хуже — с поверхности деревянных емкостей. В то же время в алюминиевых емкостях при плохом уходе или при применении несоответствующих моющих и дезинфицирующих средств, вследствие коррозии появляются трещины и микропоры, которые являются очагами инфекции. Коммуникации, рукава, шланги из резины на внутренней поверхности также становятся пористыми, образуют трещины за счет постепенного наслоения там загрязняющих осадков и их подсыхания, куда проникают и начинают размножаться микроорганизмы. Очагами инфекции являются - углы, закругления в оборудовании, тройники, фланцевые соединения, низко расположенные штуцера и т. п., которые невозможно хорошо продезинфицировать. Обслуживающий персонал. При несоблюдении личной гигиены персонал может явиться разносчиком инфекции на пищевом предприятии. Особую опасность представляют больные желудочно-кишечными и гнойничковыми заболеваниями, а также носители патогенных микроорганизмов. Персонал пищевых производств должен следить за состоянием своего здоровья, соблюдать правила личной гигиены — следить за чистотой своего тела, рук, особенно ногтей, работать в чистой санитарной одежде. Нарушение правил санитарии и личной гигиены может привести к занесению в производство нежелательной микрофлоры, а главное, патогенных микроорганизмов, попаданию их на полуфабрикаты и в готовую продукцию. 2 Отравления, вызываемые пищевыми продуктами, и методы борьбы с инфекциями Заболевания, возникающие в связи с употреблением пищевых продуктов, инфицированных токсигенными микроорганизмами, называются пищевыми. Загрязнение пищевых продуктов токсигенными микроорганизмами может происходить через руки персонала пищевых производств, предприятий торговли и общественного питания, а также через бацилло-, бактерио- и вирусоносителей, работающих в этих сферах; через воздух производственных помещений; через воду, не отвечающую санитарным требованиям, и полученный, из нее лёд, соприкасающийся с продуктами при хранении; через загрязненную тару. Плоды, овощи и ягоды загрязняются при выращивании их на почве, удобряемой фекалиями. Мясо и молоко могут быть заражены токсигенной микрофлорой, если они получены от больных животных. Пищевые заболевания по происхождению и симптомам болезни принято делить на две группы: пищевые инфекции и пищевые отравления. Пищевые инфекции. Это те заболевания, при которых пищевые продукты являются только передатчиками токсигенных микроорганизмов, в них они не размножаются, но могут длительное время сохранять жизнеспособность и вирулентность. Для возникновения заболевания достаточно содержания в продукте небольшого количества клеток возбудителя заболевания, которые, попав в макроорганизм, активно размножаются и вызывают определенное заболевание. Источником заражения пищевых продуктов возбудителями пищевых инфекций являются люди и животные (больные и носители инфекций). Пищевые инфекции протекают, как типичные инфекционные болезни с относительно длинным инкубационным периодом и .характерными для каждого заболевания клиническими признаками. В основном это кишечные инфекции — брюшной тиф, паратифы А и В, дизентерия, холера. Возбудители этих болезней, за исключением холеры, входят в кишечную группу бактерий (энтеробактерии). Источником кишечных инфекций является человек. Возбудители выделяются во внешнюю среду с фекалиями, которые попадают в воду с бытовыми стоками или на пищевые продукты. Значительную роль в распространении кишечных заболеваний играют мухи. Пищевые отравления. Они связаны с употреблением в пищу внешне доброкачественных продуктов, содержащих живые клетки возбудителей или их токсины. Пищевые отравления, как правило, путем прямого контакта не передаются. Они характеризуются острым, но в основном быстрым течением процесса и проявляются вскоре после употребления зараженной пищи (обычно через несколько часов). Пищевые отравления могут протекать либо по типу интоксикаций (токсикозов), либо по типу токсикоинфекций. Пищевые интоксикации (токсикозы). Могут возникать при отсутствии в пище живых клеток токсигенных микроорганизмов, но при наличии их токсинов, которые относятся к экзотоксинам. Они накапливаются в продукте при жизни бактерий, а далее (например, при тепловой обработке продукта) клетки токсигенных микроорганизмов могут погибнуть, а токсин сохраняется. Пищевые интоксикации бывают бактериальной и грибковой природы. К бактериальным интоксикациям относятся ботулизм и стафилококковая интоксикация. Ботулизм — это тяжелое пищевое отравление, возникающее в результате употребления пищи, содержащей токсины бактерий Clostridium botulinum. Эти бактерии широко распространены в природе и встречаются в почве, иле водоемов, кишечнике рыб (особенно осетровых) и теплокровных животных, на поверхности плодов, овощей, грибов. Попав каким-либо путем в пищевые продукты, возбудитель ботулизма в благоприятных для него условиях размножается и выделяет токсин. При этом в продуктах, как правило, отсутствуют видимые признаки их порчи. Возбудитель ботулизма — спорообразующая палочка, в которой спора располагается на конце клетки и клетка имеет вид теннисной ракетки. Это строгий анаэроб, холодоустойчив, чувствителен к кислой реакции среды (не развивается при рН ниже 4,5—4). Поваренная соль задерживает его развитие и токсинообразование, но не разрушает уже образовавшийся в продукте токсин. Споры очень устойчивы к высоким температурам, они переносят нагревание до 100° в течение 5—6 ч и до 120О — 10— 20 мин. Поэтому при недостаточной тепловой обработке зараженного продукта (колбас, баночных консервов и др.) споры могут сохранять жизнеспособность, а анаэробные условия (например, в глубоких слоях продукта или в консервной банке) способствуют развитию бактерий и токсинообразованию. Ботулинический экзотоксин — наиболее сильный из известных микробных ядов. Этот токсин чрезвычайно устойчив, он не разрушается под действием соляной кислоты желудочного сока, при продолжительном нагревании продукта до 70— 80 °С (в течение 1 ч ) и даже сохраняется при кипячении в течение 10— 15 мин, а также при замораживании продуктов, мариновании, посоле, копчении. Попадая с пищей в кишечник человека, токсин поступает в кровь и поражает сердечно-сосудистую и центральную нервную систему. Инкубационный период продолжается обычно от 6 до 24 ч и более. Основные признаки заболевания — расстройство зрения, речи и дыхания, паралич мышц. Смертность от ботулизма довольно высокая. Поражение организма ботулизмом чаще всего наступает при употреблении различного рода консервов, особенно растительных с низкой кислотностью, рыбных, преимущественно из осетровых пород. Эффективным лечебным средством является антиботулиническая сыворотка. Профилактикой ботулизма является соблюдение технологических режимов обработки и консервирования пищевых продуктов и строгое соблюдение санитарно-гигиенического режима. Стафилококковая интоксикация вызывается не всеми типами стафилококков, а только патогенными стафилококками и стоит на первом месте среди отравлений бактериальной природы. Пищевые отравления преимущественно вызываются золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus), образующим в клетках золотистый пигмент. Развиваясь в пищевых продуктах, он может выделять энтеротоксин (кишечный яд). Основное местообитание золотистого стафилококка — слизистая носоглотки и кожа. Помимо энтеротоксина, он вырабатывает другие токсины и вызывает различные гнойно-воспалительные процессы любой ткани и в любом органе. Помимо токсинов, стафилококк образует ряд активных ферментов, обладающих патогенным действием, например плазмокоагулазу, способную коагулировать (свертывать) плазму крови. Наличие плазмокоагулазы является важнейшим признаком патогенности стафилококков. Такие стафилококки называются коагулазоположительными. Стафилококковый энтеротоксин выделяется как в аэробных, так и в анаэробных условиях, он устойчив к низким и высоким температурам, высушиванию, высокому содержанию поваренной соли (8—1 5 % ) . Для полного разрушения требуется кипячение около 2 ч или нагревание в течение 30 мин при 120°С. Отравление проявляется в виде острого желудочно-кишечного заболевания через 1—6 ч после приема зараженной пищи, смертные случаи редки. Характерным является высокий процент заболевших среди употреблявших одну и ту же пищу (90—100%). Стафилококковые пищевые отравления чаще всего вызываются молочными, а также мясными продуктами. Эти отравления, также могут быть связаны с употреблением рыбных консервов в масле, кондитерских изделий с заварным кремом. При этом пищевые продукты не имеют внешних признаков порчи. Стафилококковая инфекция может передаваться лицами, страдающими гнойничковыми заболеваниями кожи или носителями токсигенных стафилоккоков в носоглотке (ангина). Перенос стафилококков от людей на продукты происходит воздушно-капельным или пылевым путем. На производстве и предприятиях общественного питания перенос инфекции осуществляется через руки персонала, аппаратуру и инвентарь. Дальнейшее развитие стафилококков в пищевых продуктах зависит от многих факторов внешней среды. Они могут размножаться при температуре 15—16 °С и образовывать энтеротоксин. Скорость накопления токсина резко возрастает при температуре 37 °С. Длительность накопления токсина в количестве, достаточном для отравления человека, зависит от характера продукта. В сильно обсемененном заварном креме при температуре 37°С энтеротоксин накапливается уже через 4 ч. К интоксикациям грибковой природы относятся микотоксикозы (отравления, причиной которых служат токсины мицелиальных грибов). К пищевым микотоксикозам относятся алиментарно-токсическая алейкия (прежнее название — септическая ангина) и «пьяный хлеб». Эти отравления вызываются разными видами грибов рода Fusarium из класса дейтеромицетов (несовершенных грибов). К микотоксикозам относятся также эрготизм, вызываемый грибом спорыньей из класса аскомицетов^ и афлатоксикозы, вызываемые грибами родов Aspergillus и Penicillium. Алиментарно-токсическая алейкия связана с употреблением в пищу зерна проса, пшеницы, гречихи, овса, перезимовавшего в поле. Применение в пищу продуктов переработки такого зерна приводит к отравлению токсином, вырабатываемым грибом только при минусовой температуре (от —1 до —5°С). Токсин обладает высокой устойчивостью, не теряет токсичности при длительном хранении зерна (несколько лет), не разрушается при варке каши и супа, выпечке хлеба из продуктов переработки зараженного зерна (муки, крупы). Отравление проявляется в повышении температуры, резких болях во рту и пищеводе вследствие развивающегося некроза (омертвления тканей), кровоточивости, угнетения процессов кроветворения. Профилактика отравления сводится к недопущению употребления зерна, перезимовавшего в поле. Пищевое отравление «пьяный хлеб» по симптомам напоминает тяжелое опьянение. Оно возникает при употреблении в основном хлеба, приготовленного из муки, содержащей микотоксин, который поражает центральную нервную систему. Эрготизм — отравление, возникающее при употреблении зерна, пораженного спорыньей, когда в колосьях вместо семян образуются твердые «рожки» - покоящаяся стадия гриба. В них содержатся токсины (эрготин, эрготинин и др.), вызывающие сильные судороги («злые корчи») или гангрену. Острое отравление наступает при содержании спорыньи в муке, приготовленной из такого зерна, равном 1—2%. Законодательством СССР предусмотрено допустимое содержание спорыньи в муке не выше 0,05%. Профилактика эрготизма — очистка зерна от спорыньи. Афлатоксикозы вызываются грибами. Некоторые аспергиллы образуют особые токсины — афлатоксины при развитии их на кормах, а также на некоторых пищевых продуктах (зерне злаков, сухофруктах, на арахисе и др.), а пенициллы — токсин патулин. Эти вещества обладают канцерогенным действием. С целью профилактики афлатоксикозов необходимо соблюдать правильные условия хранения зерна, исключающие возможность его увлажнения, самосогревания и плесневения, что способствует накоплению афлатоксинов. Пищевые токсикоинфекции. Отравления такого рода возникают обычно при употреблении в пищу продуктов, содержащих большое количество размножившихся в них живых токсигенных микроорганизмов — возбудителей. Количество возбудителей составляет до 107—108 клеток в 1 г продукта. В кишечнике человека они продолжают размножаться и отмирать, при этом из их клеток освобождается высокотоксичный термоустойчивый эндотоксин. В большинстве случаев пищевые токсикоинфекций вызываются сальмонеллами. Наиболее распространенными возбудителями сальмонеллезных токсикоинфекций являются бреславльская палочка (S. typhimurium) и палочка Гертнера (S. enteritidis). Вызываемые ими отравления протекают как острые желудочно-кишечные заболевания, и имеют короткий (несколько часов) инкубационный период. Салмонеллы не образуют спор, однако устойчивы к действию низких температур (долго не погибают при температурах от —10 до —20°С), кислот (молочной, уксусной), высушиванию, копчению. Поваренная соль в концентрации 6— 8% угнетает их развитие, а в концентрации 10—12% подавляет. Сальмонеллы устойчивы к тепловой обработке, поэтому, чтобы предохранить продукты от этой инфекции, необходим правильный режим термической обработки. Мясо полностью обезвреживается только при отваривании кусками по 500 г (при толщине 6 см) в течение 3 ч при 100 °С. Сальмонеллы находятся в кишечнике многих животных, особенно у крупного рогатого скота, водоплавающей домашней птицы и грызунов, причем не только у больных, но и у здоровых (носителей инфекции), а также у выздоровевших людей. Мясо, рыба, молочные продукты чаще всего служат причиной отравления. Заражение мяса сальмонеллами может происходить при жизни животного или при разделке, транспортировании и хранении туш. В ткани рыб сальмонеллы попадают преимущественно в местах сброса сточных вод. Переносить возбудителей могут мухи, грызуны и некоторые птицы, например чайки. Возбудителями сальмонеллезных токсикоинфекций часто являются утиные и гусиные яйца, поэтому их разрешается использовать только для смазки поверхностей при изготовлении мелкоштучных кондитерских изделий из теста, подвергающихся высокотемпературной обработке. Изменения органолептических свойств (вкуса, запаха) в зараженных продуктах не наблюдается. Пищевые токсикоинфекции, вызываемые условно-патогенными бактериями. В возникновении токсикоинфекций значительная роль принадлежит условно-патогенным микроорганизмам. Они являются постоянными обитателями кожи, кишечника, дыхательных путей человека и при нормальных условиях жизни не вызывают заболеваний. Однако при изменении условий их существования или ослаблении макроорганизма они вызывают заболевания. Так, в нормальной микрофлоре толстого отдела кишечника постоянно обитает кишечная палочка, она является комменсалом (сожителем), не приносящим вреда, но при ее попадании в другой орган (мочевой, желчный пузырь, почки) и при снижении устойчивости макроорганизма может возникнуть воспалительный процесс. Некоторые условно-патогенные бактерии вырабатывают эндотоксины. Различные представители этих бактерий обладают неодинаковой вирулентностью и токсигенностью. Отравление возникает при употреблении в пищу только обильно обсемененных пищевых продуктов (более 105—106 кл/г), при этом их органолептические свойства не меняются. Токсикоинфекций, вызываемые токсигенными культурами условно-патогенных бактерий, протекают наподобие сальмонеллезных токсикоинфекций (общая слабость, боль в кишечнике, рвота и т. д.). Токсикоинфекций, вызванные условно-патогенными бактериями, чаще связаны с потреблением в пищу готовых изделий, зараженных уже вторично, т. е. после кулинарной обработки. Быстрому размножению этих бактерий в продуктах способствуют нарушения температурных условий и сроков хранения продуктов. К условно-патогенным бактериям, наиболее часто вызывающим пищевые токсикоинфекций, относятся бактерии кишечной группы — энтеробактерии (кишечная палочка и протей, а также фекальный стрептококк), являющиеся обитателями нормальной микрофлоры кишечника человека и теплокровных животных. Они также встречаются в почве, воде. Кроме них возникновение пищевых токсикоинфекций могут вызывать условно-патогенные спорообразующие палочки, относящиеся к родам Clostridium (С. perfringens) и Bacillus (В. cereus). Основой профилактики отравлений через готовые блюда после кулинарной обработки является их немедленная реализация. При необходимости хранения продуктов после термической обработки их следует быстро охлаждать до температуры ниже 10°С для предотвращения размножения бактерий и хранить на холоде. На всех предприятиях пищевой промышленности необходимо строго соблюдать санитарно-гигиенические условия производства, правила личной гигиены, проводить текущий микробиологический и санитарный контроль. 3 Патогенные микроорганизмы Одной из форм антагонистических взаимоотношений между микрои макроорганизмом является паразитизм, когда микроорганизм наносит явный вред макроорганизму-хозяину (человеку, животному, растению). Способностью к паразитизму обладают патогенные микроорганизмы, вызывающие различные заболевания. В процессе приспособления к паразитическому образу жизни они утратили способность к образованию целого ряда ферментов и стали использовать необходимые им соединения из живых клеток хозяина. Патогенные микроорганизмы характеризуются строгой специфичностью — каждый вид их способен вызывать только определенную болезнь с характерными для нее симптомами. Так, холерный вибрион вызывает холеру, туберкулезные микобактерии — туберкулез и т. д. Многие патогенные микроорганизмы паразитируют только в определенных органах и тканях. Например, возбудители желудочно-кишечных заболеваний размножаются при попадании только в кишечник. Однако есть микроорганизмы, которые могут поражать любой орган или ткань, например стафилококки, вызывающие гнойно-воспалительные процессы, возбудители туберкулеза и др. Патогенность, вирулентность и токсигенность микроорганизмов. Патогенность — это потенциальная способность определенного вида микробов приживаться в макроорганизме, размножаться и вызывать определенное заболевание. Патогенность является постоянным видовым признаком болезнетворных микроорганизмов. Для сравнения и оценки патогенности возбудителей того или иного заболевания предложено понятие вирулентности, которое означает степень их болезнетворного действия. Вирулентность не является видовым (постоянным) признаком данного микроба. Под влиянием условий внешней среды (действие света, высушивание и т. п.) она может быть повышена, понижена и даже утеряна. Искусственное понижение вирулентности патогенных микробов широко используют при изготовлении вакцин, применяемых для профилактики ряда инфекционных заболеваний. Вирулентность микроорганизмов присуща только живым, активно функционирующим клеткам. Токсигенность — способность патогенных микроорганизмов вырабатывать ядовитые вещества — токсины. Такие микроорганизмы называются токсигенными. Токсины обусловливают болезненные явления в организме человека и животных. Поступая в кровь или лимфу, они поражают внутренние органы и вызывают отравление организма различной степени тяжести. Токсины подразделяются на экзои эндотоксины. Экзотоксины выделяются только живыми клетками микроорганизмов во внешнюю среду при развитии их в макроорганизме или пищевых продуктах. Экзотоксины образуют только грам-положительные бактерии. Примерами экзотоксинов являются токсины, вырабатываемые золотистым стафилококком, возбудителем ботулизма, столбняка. Экзотоксины имеют белковую природу, как правило, неустойчивы к высокой температуре (разрушаются при 60—80СС в течение 10—60 мин). Исключение составляют ботулинический, стафилококковый и некоторые другие экзотоксины, выдерживающие кипячение в течение нескольких минут. Экзотоксины очень ядовиты. Например, человек погибает от 0,00025 г столбнячного токсина, что в 20 раз меньше смертельной дозы яда кобры и в 150 раз меньше смертельной дозы стрихнина. Экзотоксины строго специфичны. Так, столбнячный токсин — типичный нервный яд, поражает двигательные нервные клетки, и у больных наступает сокращение мускулатуры; дифтерийный токсин повреждает надпочечники и мышцу сердца. В макроорганизме в качестве ответной реакции вырабатываются антитоксины, снижающие ядовитое действие экзотоксинов. Эндотоксины прочно связаны с микробной клеткой, при жизни микроорганизма они не выделяются во внешнюю среду и освобождаются только после их гибели. Они имеются только у грамотрицательных бактерий, например у сальмонелл — возбудителей брюшного тифа и паратифов, а также у условно-патогенных микроорганизмов — у некоторых разновидностей кишечной палочки и протея. Эндотоксины по химической природе — это липополисахаридный комплекс, входящий в состав липополисахаридного слоя клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Эндотоксины, в отличие от экзотоксинов, более устойчивы к высокой температуре (некоторые из них выдерживают кипячение и автоклавирование при 120° в течение 30 мин). Они не обладают такой строгой специфичностью действия на организм и вызывают общие признаки отравления: головную боль, слабость, одышку, повышение температуры и т. п. Токсичность эндотоксинов для организма гораздо слабее, чем экзотоксинов. Роль патогенных микроорганизмов в развитии инфекционного процесса. Инфекционный процесс — это сложный биологический процесс взаимодействия макро- и микроорганизма, который проявляется совокупностью разнообразных симптомов, возникающих в результате внедрения и размножения патогенных микробов в макроорганизме. Крайней степенью этого взаимодействия являются инфекционные заболевания. Они характеризуются рядом признаков. Прежде всего они заразны, т. е. возбудители могут передаваться от больного человека здоровому, что приводит к широкому распространению инфекционных заболеваний (эпидемиям). Заболевание проявляется не сразу после проникновения в макроорганизм возбудителя заболевания. Время от внедрения его в организм до проявления первых признаков болезни называется инкубационным (скрытым) периодом. Инфекционный процесс может быть острым (длится несколько дней или недель) или хроническим (длится месяцами и даже годами). Попадание патогенных микроорганизмов в макроорганизм далеко не всегда приводит к возникновению инфекционного заболевания. Для развития инфекционного процесса необходимо: внедрение в организм достаточного количества микробов, обладающих определенной степенью патогенности (при малом их количестве болезнь может не развиться), и наличие восприимчивости к инфекции со стороны макроорганизма. Так, недостаточное питание, охлаждение, чрезмерное физическое или . психическое напряжение, возраст и т. д. повышают восприимчивость к инфекции, поскольку снижаются защитные силы организма, нарушается процесс образования антител. Источники и пути передачи инфекции. Источниками инфекции могут быть больной человек и животные, а также бактерио-, бацилло- и вирусоносители. Даже после выздоровления иногда люди и животные остаются носителями патогенных микробов на более или менее длительный срок и выделяют их в окружающую среду через слюну, слизь при чихании, мочу, кал, тем самым способствуя их распространению без проявления явных признаков болезни. Такое носительство возникает после кишечных инфекций (брюшного тифа, дизентерии, паратифа, холеры), а также, после ангины, полиомиелита, менингита и др. Пути передачи инфекции от больного человека здоровому различны. Это может быть либо путь прямого контакта, либо косвенными путями. К косвенным путям передачи относятся фекально-оральный (через воздух, воду, почву, пищевые продукты, загрязненные руки, предметы обихода и т. п.) и воздушно-капельный или воздушно-пылевой. Фекально-оральным путем передается инфекция, локализованная в кишечнике и попадающая в фекалии (брюшной тиф, холера, дизентерия и др.). Возбудители инфекции, локализованные на слизистых оболочках верхних дыхательных путей (коклюш, грипп, туберкулез легких, ангина и т. д.), передаются воздушно-капельным и воздушно-пылевым способом. 4 Токсикоинфекция Токсикоинфекция (пищевое отравление) – острое кишечное инфекционное заболевание, обусловленное употреблением продуктов, в которых накопились вредные микроорганизмы и их яды (токсины). Токсикоинфекции на втором месте по распространенности после ОРЗ. Токсикоинфекцию (пищевое отравление) могут спровоцировать сальмонеллы, шигеллы, кишечные палочки, стафилококки, стрептококки, эшерихии, протей, некоторые разновидности клостридий и др. Ботулизм, вызываемый клостридиями ботулизма, относится к токсикоинфекциям (пищевым отравлениям), но рассматривается отдельно в связи с резкими отличиями в течении и высоким риском для жизни. Источник патогенных микроорганизмов в пище – носители и больные люди и животные. При благоприятных условиях микробы размножаются яд возбудителя токсикоинфекции накапливается. Причем зараженные продукты по виду и вкусу ничем не отличаются от доброкачественных. Токсикоинфекции (пищевые отравления) разделяют в зависимости от вида возбудителя, определить которого возможно (но не всегда) только через несколько суток после забора материала от больного. Токсикоинфекции (пищевые отравления) различают по степени тяжести течения: легкая, средняя и тяжелая формы. Отдельно выделяют молниеносную (фульминантную) форму токсикоинфекции с быстрым и тяжелым развитием заболевания. Токсикоинфекция (пищевое отравление) в зависимости от полученного количества микроорганизмов и токсинов, а также состояния организма развивается в течение от получаса до 24 часов (инкубационный период). Токсикоинфекция проявляется обычно через 0,5 ч - 12 ч. Чем длиннее скрытый период, тем легче обычно протекает пищевое отравление. Токсикоинфекция (пищевое отравление) начинается остро - с тошноты, боли в животе, которая может носить приступообразный характер. Затем присоединяется рвота, (однократная и многократная). После рвоты появляется жидкий стул, который может быть пенистым, зловонным и пр. (по характеру испражнений врач может судить о виде возбудителя). Испражнения могут быть частыми. Язык сухой, обложен сероватым налетом. Живот обычно немного вздут, мягкий, болезненный. Печень и селезенка обычно не увеличиваются. У некоторых пациентов процесс затрагивает толстую кишку возникают спазмы по ходу толстой кишки, ложные позывы к испражнению, появляются слизь и кровь в кале. Токсикоинфекция в тяжелой форме – при многократной рвоте и поносе может привести к обезвоживанию, нарушению кислотно-щелочного баланса и электролитного состава крови, что чревато нарушениями в работе внутренних органов. Больной пищевым отравлением в тяжелой форме обессилен, черты лица заострены, кожа бледная, сухая, голос ослабленный; возможны судороги. Токсикоинфекция (пищевое отравление) характеризуется повышением температуры тела (38-39 0С); реже температура может оставаться нормальной. В зависимости от вида возбудителя различается клиническая картина токсикоинфекции (пищевого отравления). Так, при стафилококковой токсикоинфекции температура тела может не повышаться, не возникает понос, но появляется резкая боль в области желудка, носящая режущий, приступообразный характер. Токсикоинфекция (пищевое отравление) чаще протекает в легкой форме или среднетяжелой, быстро заканчивается. Токсикоинфекция (пищевое отравление) распознается при появлении первых симптомов. Токсикоинфекция (пищевое отравление) требует идентификации выделенного возбудителя при помощи микроскопии. Токсикоинфекция (пищевое отравление) требует промывания желудка – вне зависимости от давности заболевания, т.к. микроорганизмы могут находиться в желудке несколько дней, размножаясь и выделяя токсины. Промывание требуется как можно раньше. Промывание проводят слабыми растворами соды или перманганата калия до чистых промывных вод. При лечении токсикоинфекции важно избежать обезвоживания. Для этого назначают питьевые солевые растворы (регидрон, гастролит) в объеме примерно равному количеству теряемой жидкости. В случае развития обезвоживания внутривенно назначают солевые растворы: трисоль, хлосоль, дисоль, ацесоль и др. Для остановки диареи используют сорбенты активированный уголь (карболонг, карбомикс, карбоактив); энтеросгель. Применяют обволакивающие средства – смекту; препараты висмута (десмол, де-нол); препараты, действующие на перистальтику, лоперамид (лоперамид, лопедиум, лоперамид-Ратиофарм). Для уничтожения возбудителей кишечные антисептики и антибиотики: нифуроксазид (эрцефурил, диастат, нифуроксазид), интетрикс, фталазол (фталазол-Дарница, фталазол), бактрим (бактрим, бактримфорте), хлорхинальдол (хлорхинальдин, хлорхинальдол). Ряд авторов считает назначение антибактериальных препаратов обоснованным только в определенных случаях для профилактики септических осложнений. Если токсикоинфекция (пищевое отравление) протекает без диареи, назначают очистительную клизму, слабительные (дуфалак). Для дезинтоксикации назначают реополиглюкин. Для улучшения пищеварения применяют препараты панкреатина (фестал, мезим, дигестал, панзинорм, креон и др.) Важно правильное питание- - пища должна быть механически и химически щадящей. Токсикоинфекция (пищевое отравление) чревата инфекционно-токсическим и гиповолемическим шоком, тромбозом магистральных сосудов, что может привести к смерти. Токсикоинфекция в тяжелой форме чревата острой почечной недостаточностью; возможны септические осложнения (эндокардит, пиелонефрит и др.) 1 Значение микробиологического и санитарного контроля Доброкачественность готового продукта в микробиологическом отношении в значительной степени зависит от санитарного уровня производства и микробиологической характеристики сырья и вспомогательных материалов, от четко организо ванного санитарно-микробиологического контроля. Задача микробиологического контроля - возможно быстрое обнаружение и выявление путей проникновения микроорганизмов-вредителей в производство, очагов и степени размножения их на отдельных этапах технологического процесса; предотвращение развития посторонней микрофлоры путем различных профилактических мероприятий; активное уничтожение ее путем дезинфекции с целью получения высококачественной готовой продукции. Санитарно-микробиологический контроль подразделяется на основной (профилактический) и дополнительный. Основной микробиологический контроль включает контроль продукции и санитарного состояния производства. Он проводится систематически, в сроки, определяемые Инструкцией, бактериологами производственных лабораторий, а также учреждениями санэпидслужбы в порядке, предусмотренном Государственным санитарным надзором. На предприятиях, которые не имеют производственных лабораторий, ко нтроль осуществляют региональные санэпидстанции на договорных началах. Дополнительный микробиологический контроль продуктов проводится в случае стойкой пов ышенной обсемененности готового продукта с целью обнаружения и устранения источника обсеменения, а также по решению заведующего лабораторией, старшего бактериолога по санитарномикробиологическим показаниям, при отклонении от технологического процесса или по требованию заказчика. 2 Микробиологический контроль Задачей микробиологического контроля является возможно быстрое обнаружение и выявление путей проникновения микроopraнизмов-вредителей в производство, очагов и степени размножения их на отдельных этапах технологического процесса; предотвращение развития посторонней микрофлоры путем использования различных профилактических мероприятий; активное уничтожение ее путем дезинфекции с целью получения высококачественной готовой продукции. Микробиологический контроль должен проводиться заводскими лабораториями систематически. Он осуществляется на всех этапах технологического процесса, начиная с сырья и кончая готовым продуктом, на основании государственных стандартов (ГОСТ), технических условий (ТУ), инструкций, правил, методических указаний и другой нормативной документации, разработанной для каждой отрасли пищевой промышленности. Для отдельных пищевых производств имеются свои схемы микробиологического контроля, в которых определены объекты контроля, точки отбора проб, периодичность контроля, указываются, какой микробиологический показатель необходимо определить, приводятся нормы допустимой общей бактериальной обсемененности. Микробиологический контроль будет действенным и будет способствовать значительному улучшению работы предприятия, только если он сочетается с санитарно-гигиеническим контролем, назначение которого — обнаружение патогенных микроорганизмов. Они обнаруживаются по содержанию кишечной палочки. Санитарно-гигиенический контроль включает проверку чистоты воды, воздуха производственных помещений, пищевых продуктов, санитарного состояния технологического оборудования, инвентаря, тары, гигиенического состояния обслуживающего персонала (чистоты рук, одежды и т. п.). Он осуществляется как микробиологической лaбораторией предприятия, так и санитарно-эпидемиологическими станциями по методикам; утвержденным Министерством здравоохранения. В пищевых производствах, основанных на жизнедеятельности микроорганизмов, необходим систематический микробиологический контроль за чистотой производственной культуры, условиями ее хранения, разведения и т. д. Посторонние микроорганизмы в производственной культуре выявляют путем микроскопирования и посевов на различные питательные среды. Микробиологический контроль производственной культуры кроме проверки биологической чистоты включает также определение ее физиологического состояния, биохимической активности, наличия производственно-ценных свойств, скорости размножения и т. п. В тех пищевых производствах, где применяются ферментные препараты, также обязателен микробиологический контроль их активности и биологической чистоты. 3 Санитарный контроль Быстрое и непосредственное обнаружение в объектах внешней среды (воде, воздухе, пищевых продуктах) патогенных микроорганизмов осуществить очень трудно, так как их количество ничтожно мало по сравнению с сапрофитной микрофлорой исследуемых объектов. Поэтому возможное загрязнение их патогенными микроорганизмами определяют косвенно — на основании количественного и качественного учета санитарно-показательных микроорганизмов. К санитарно-показательным микроорганизмам относятся, кишечная палочка, гемолитические (растворяющие эритроциты крови) стрептококки и стафилококки. Они. являются постоянными обитателями естественных полостей тела человека и животных (кишечника, слизистых оболочек полости рта и верхних дыхательных путей). Присутствие санитарно-показательных микроорганизмов в объектах внешней среды указывает на загрязненность их выделениями человеческого организма, а следовательно, и возможность наличия в них соответствующих патогенных микроорганизмов. Кишечная палочка (Escherichia со1i). Она является постоянным обитателем толстых кишок, безвредна для человека. Она является показателем фекального загрязнения воды и пищевых продуктов, т. е. выделениями кишечника человека, что свидетельствует о возможном типе возбудителей тяжелых кишечных заболеваний (дизентерии, брюшного тифа, паратифов и т. п.), которые выделяются из больного организма, или носителем инфекции во внешнюю среду (также с фекалиями). Для санитарно-гигиенической оценки воды, пищевых продуктов и других объектов необходимо, не только установить наличие в них кишечной палочки, но в ряде случаев провести количественный учет этих бактерий. Интенсивность фекального загрязнения характеризуется двумя микробиологическими показателями: коли-титром и коли-индексом. Коли-титр—наименьшее количество исследуемого материала (объем, масса), в котором обнаруживается одна кишечная палочка. Чем меньше величина коли-титра, тем опаснее данный объект в эпидемиологическом отношении. Коли-индекс — это количество кишечных палочек в единице объема (массы) исследуемого вещества. Гемолитические стрептококки и стафилокoкки. Эти постоянно обитающие на слизистых оболочках полости рта и верхних дыхательных путей микроорганизмы также являются санитарно-показательными. Их наличие указывает на обсемёненность воздушной среды и некоторых продуктов микрофлорой дыхательных путей, среди которой могут быть возбудители ангины, коклюша, туберкулеза и др., попадающие туда при кашле, чихании и пр. Чем больше количество санитарно-показательных микроорганизмов в исследуемом объекте, тем больше он загрязнен выделениями человеческого организма и тем вероятнее, что в нем содержатся патогенные микроорганизмы — возбудители инфекционных заболеваний. 4 Общая схема контроля пищевых производств Контроль пищевых продуктов. Для оценки качества сырья, полуфабрикатов, вспомогательных материалов, готовой продукции в нашей стране в основном используются два показателя — общая бактериальная обсемененность (ОБО) и количество бактерий кишечной группы (преимущественно кишечной палочки). Общая бактериальная обсемененность. Ее определяют в основном чашечным методом. Выполнение анализа включает четыре этапа: приготовление ряда разведений из отобранных проб (при обследовании поверхности продукта или оборудования пробу отбирают путем смыва или соскоба с определенной площади); посев на стандартную плотную питательную среду (для выявления бактерий — на мясо-пептонный агар в чашки Петри); выращивание посевов в течение 24—28 ч в термостате при 30СС; подсчет выросших колоний. Число колоний, выросших на каждой чашке, пересчитывают на 1 г или 1 мл продукта с учетом разведения. Окончательным результатом будет среднее арифметическое от результатов подсчета колоний в 2—3 чашках. Полученные результаты будут меньше истинного обсеменения продукта, так как чашечным методом учитываются только сапрофитные мезофильные бактерии (аэробы и факультативные анаэробы). Термофильные и психрофильные бактерии не растут из-за несоответствия температуры оптимальной; анаэробы не растут, поскольку выращивание проводится в аэробных условиях; другие бактерии (в частности, патогенные) не растут из-за несоответствия питательной среды и условий культивирования. Не образуют колоний мертвые клетки. Однако эти микроорганизмы можно не учитывать и ошибкой анализа пренебречь, поскольку сапрофиты являются основными возбудителями порчи пищевых продуктов. В некоторых производствах (консервном, сахарном, хлебопекарном и др.) используются дополнительные микробиологические показатели, например количество анаэробных, термофильных, спорообразующих и других микроорганизмов, характерных для каждого вида исследуемого объекта. Для их учета имеются специальные методические приемы, описанные в соответствующей нормативной документации. Например, для определения процентного содержания спорообразующих бактерий посев производят из пробирок с разведениями проб, предварительно прогретых несколько минут в кипящей водяной бане. При посевах из прогретых проб вырастают только спороносные бактерии, а из непрогретых — все остальные. Затем рассчитывают процентное содержание спорообразующих форм микроорганизмов. Чем выше показатель общей бактериальной обсемененнрсти, тем больше вероятность попадания в исследуемый объект патогенных микроорганизмов — возбудителей инфекционных -болезней и пищевых отравлений. Обычно в 1 г (или 1 мл) продукта, не прошедшего термической обработки, содержится не более 100 тысяч сапрофитных мезофильных бактерий. Если же их количество превышает 1 млн. клеток, то стойкость готового продукта при хранении снижается и его употребление может нанести вред здоровью человека. Определение бактерий кишечной группы основано на способности кишечной сбраживать лактозу до кислоты и газа. При санитарногигиеническом контроле сырья, полуфабрикатов, готовой продукции исследование на наличие бактерий кишечной группы ограничивают проведением так называемой первой бродильной пробы, Бродильную пробу осуществляют путем посева в пробирки со специальной дифференциально-диагностической средой для кишечной палочки (среда Кесслера с лактозой) различных объемов (или навесок) исследуемого объекта—1,0; 0,1; 0,01; 0,001 мл (или г ) . Пробирки с посевами помещают в термостат при 37 °С на 24 ч, затем их просматривают и устанавливают бродильный титр, т. е. те пробирки, в которых наблюдается рост (помутнение среды) и образование газа в результате брожения. При отсутствии газообразования объект контроля считают не загрязненным кишечной палочкой. При наличии газообразования производят вычисление колититра для различных объектов контроля по специальным таблицам. Существуют нормы допустимой общей бактериальной обсемененности и содержания кишечной палочки в объектах контроля. Контроль воды. Для санитарно-гигиенической оценки воды используются два микробиологических показателя: общее количество бактерий в воде и кода-индекс, которые определяются в соответствии с ГОСТ «Вода питьевая. Методы санитарнобактериологического анализа». Общее количество бактерий — это количество колоний аэробных и факультативно-анаэробных мезофильных сапрофитных бактерий, вырастающих при посеве 1 мл неразбавленной воды на мясо-пептонном агаре (МПА) за 24 ч при 37 °С. Для оценки качества воды наиболее важное значение имеет не общее количество бактерий, а наличие в ней патогенных микроорганизмов. Микробиологическим показателем загрязненности воды патогенными бактериями кишечной группы служит коли-индекс. В соответствии с ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством» общее количество клеток бактерий в 1 мл воды должно быть не более 100, а коли-индекс — не более 3 в 1 л. Анализ воды проводится при пользовании городским водопроводом 1 раз в квартал, а при наличии собственных источников водоснабжения— 1 раз в месяц. Выявление патогенных микроорганизмов в воде (возбудителей брюшного тифа, холеры и дизентерии) осуществляется местными санитарноэпидемиологическими станциями только по эпидемиологическим показателям. Контроль воздуха производственных помещений. Для санитарногигиенической оценки воздуха закрытых помещений определяют два показателя. Первым является общее количество сапрофитных микроорганизмов в 1 м3 воздуха. Воздух производственных цехов пищевых производств считается чистым, если в нем содержится не более 500 сапрофитных микроорганиздов в 1 м3. Вторым показателем является количество в том же объеме воздуха санитарнопоказательных микроорганизмов — гемолитических стрептококков и стафилококков. Нормативов по этому показателю в настоящее время нет. Обнаружение их в воздухе производственных помещений указывает на санитарное неблагополучие данного объекта и возможность возникновения у персонала инфекционных заболеваний, вызываемых микрофлорой дыхательных путей, которая передается через воздух (ангины, гриппа, коклюша, дифтерии, туберкулеза и др.). Такой воздух может стать источником обсеменения пищевых продуктов, а следовательно, представлять потенциальную опасность для здоровья людей. Определение в воздухе санитарнопоказательных микроорганизмов производят только по эпидемиологическим показаниям санитарно-эпидемиологическими станциями. Для санитарно-гигиенического контроля воздуха применяют седиментационные и аспирационные методы анализа, описание которых имеется в нормативной документации. Контроль оборудования, инвентаря, тары. Для предотвращения загрязнения посторонними микроорганизмами сырья и полуфабрикатов в процессе их переработки и готовой продукции при хранении необходимым условием является поддержание чистоты на рабочем месте, в производственных помещениях, санитарная обработка оборудования, инвентаря, тары. 5 Дезинфекция Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на предприятиях пищевой промышленности эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция. Дезинфекцией (обеззараживанием) называется уничтожение в объектах внешней среды сапрофитных микроорганизмов — вредителей данного производства, которые вызывают порчу сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а также патогенных микроорганизмов — возбудителей пищевых инфекций и пищевых отравлений. Дезинфекция оборудования, инвентаря, тары, производственных и бытовых помещений пищевых предприятий является профилактической мерой для предупреждения загрязнения продуктов микроорганизмами. Она проводится систематически в соответствии с установленными санитарными требованиями для каждой отрасли промышленности. Это так называемая текущая, или профилактическая, дезинфекция. Кроме того, на пищевых предприятиях возможно проведение экстренной дезинфекции по эпидемиологическим показаниям: при подозрении на пищевое отравление, в случае инфекционных заболеваний среди персонала, при поступлении инфицированного сырья, полуфабрикатов, тары и т. п. По виду действующего агента методы дезинфекции бывают физические и химические. К физическим средствам дезинфекции относятся: кварцевое и ультрафиолетовое облучение, ультразвук, действие высоких температур (обжигание, прокаливание, кипячение, ошпаривание посуды, тары и оборудования, обработка острым паром). К химическим средствам дезинфекции относится большое количество химических веществ, обладающих антимикробным действием. Влияние антимикробных химических веществ на микроорганизмы. Кроме питательных химических веществ, оказывающих положительное влияние на микроорганизмы, имеется ряд химических веществ, тормозящих или полностью прекращающих их рост. Химические вещества вызывают либо микробоцидное (гибель микроорганизмов), либо микробостатическое действие (приостанавливают их рост, но после удаления этого вещества рост вновь возобновляется). Характер действия (микробоцидный или микробостатический) зависит от дозы вещества, времени его воздействия, также температуры и рН. Малые дозы антимикробных веществ часто стимулируют развитие микроорганизмов. С повышением температуры токсичность многих антимикробных веществ, как правило, возрастает. Температура влияет не только на активность самого химического вещества, но и на микроорганизмы. При температурах, превышающих максимальную для данного микроорганизма, даже небольшие дозы таких веществ вызывают их гибель. Аналогичное действие оказывает и рН среды. К различным антимикробным веществам один и тот же микроорганизм проявляет разную степень устойчивости. Одно и то же вещество может оказывать неодинаковое действие на различные виды микроорганизмов — одни вызывают быструю гибель, другие приостанавливают их развитие, третьи могут вообще не оказывать действия. Это зависит от наличия спор и капсул, устойчивых к химическим веществам. Антимикробные вещества значительно сильнее действуют на вегетативные клетки, чем на споры. Из неорганических веществ сильным антимикробным действием обладают соли тяжелых. металлов (ртути, меди, серебра), окислители —хлор, озон, иод, пероксид водорода, хлорная известь, перманганат калия), шелочи и кислоты (едкий натр, сернистая, фтористоводородная, борная кислоты), некоторые газы (сероводород, оксид углерода, сернистый, углекислый газ). Вещества органической природы (спирты, фенолы, альдегиды, особенно формальдегид) также оказывают губительное действие на микроорганизмы. Механизм губительного действия антимикробных веществ различен и зависит от их химической природы. Например, спирты, эфиры растворяют липиды ЦПМ, вследствие чего они легко проникают в клетку и вступают во взаимодействие с различными ее компонентами, что нарушает нормальную жизнедеятельность клетки. Соли тяжелых металлов, формалин вызывают быструю коагуляцию белков цитоплазмы, фенолы — инактивацию дыхательных ферментов, кислоты и щелочи — гидролиз белков. Хлор и озон, обладающие сильным окислительным действием, также инактивируют ферменты. Антимикробные химические вещества используются в качестве дезинфицирующих средств и антисептиков. Дезинфицирующие вещества вызывают быструю (в течение нескольких минут) гибель бактерий, они более активны в средах, бедных органическими веществами, уничтожают не только вегетативные клетки, но и споры. Они не вызывают появления устойчивых форм микроорганизмов. Микробоцидное действие антисептиков, в отличие от дезинфектантов, проявляется через 3 ч и более. Наибольшая активность проявляется в средах, содержащих органические вещества. Антисептики уничтожают только вегетативные клетки и вызывают образование устойчивых форм микроорганизмов. Такие антимикробные вещества, как фенолы, хлорамин, формалин, в больших концентрациях (2—5%) являются дезин-фектантами, но их же растворы, разбавленные в 100—1000 раз, могут быть использованы как антисептики. Многие антисептики .используют в качестве консервантов пищевых продуктов (сернистая, бензойная, сорбиновая кислоты, юглон, плюмбагин и др.). Дезинфицирующие вещества в пищевой промышленности используются, как правило, для обработки рабочих поверхностей -аппаратов и другого технологического оборудования, инвентаря, тары, посуды и помещений. В пищевой промышленности можно применять лишь такие препараты, которые де оказывают токсического действия на организм человека, не имеют запаха и вкуса. Кроме того, они должны обладать антимикробным действием при минимальной концентрации, растворяться в воде и быть эффективными при небольших сроках действия. Большое значение имеет также их стойкость при хранении. Препараты не должны оказывать разрушающего действия на материал оборудования, должны быть дешевы и удобны для транспортирования. Для обработки оборудования на предприятиях пищевой промышленности в основном применяются хлорсодержащие вещества, дезинфицирующее действие которых, обусловлено выделением активного хлора. Обычно для дезинфекции применяют растворы, содержащие l50—200 мг активного хлора в 1 л.; Наиболее уязвимые в смысле бактериального загрязнения места обрабатывают растворами, содержащими 400 мг активного хлора в 1 л. Продолжительность обработки оборудования должна быть не менее 15 мин. К неорганическим хлорсодержащим дезинфицирующим веществам относятся: хлорная известь, анти-формин (смесь хлорной извести, кальцинированной и каустической соды), гипохлорит натрия; к органическим — хлорамин Б, новые синтетические препараты (дихлордиметилгидантоин) в сложные комбинации новых хлорактивных соединений с поверхностно-активными веществами (например, сульфохлорантин, обладающий одновременно смачивающим, моющим и высоким антимикробным эффектом). В качестве дезинфектантов применяют также формалин (водный раствор формальдегида), известковое молоко, кальцинированную и каустическую соду. Высокой антимикробной активностью в малых дозах обладают органические синтетические дезинфектанты —так называемые четвертичные аммониевые соединения. Их преимущества перед существующими антимикробными средствами заключается в том, что они хорошо растворимы в воде, не имеют запаха, вкуса, малотоксичны для организма человека, не вызывают коррозии металлов, не раздражают кожи рук персонала. Среди отечественных препаратов этой группы можно назвать цетозол и катамин-АБ. Механизм действия этого класса соединений на микроорганизмы еще не совсем ясен. Предполагают, что они повреждают клеточную стенку бактерий, в результате чего резко возрастает проницаемость клетки, происходит денатурация белков, инактивация ферментных систем и лизис (растворение) микроорганизмов. Сильным бактерицидным действием обладают многие газообразные вещества (формальдегид, сернистый ангидрид, окись этилена и |3-пропиолактон). При применении дезинфектантов для обработки оборудования необходимо соблюдать следующие общие правила: применять их только после тщательной механической мойки оборудования; растворы дезинфектантов должны быть свежеприготовленными; после дезинфекции все обработанное оборудование и коммуникации тщательно промывают до полного удаления дезинфектанта. Питьевую воду, а также воду промышленного назначения обычно обеззараживают разнообразными путями — с помощью сильных окислителей (большое количество воды — хлором, малое— соединениями хлора, йодом, ионами тяжелых металлов), путем озонирования, облучения ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 200—295 нм, обработки гамма-излучением, ультразвуком. Для дезинфекции воздуха наиболее часто применяют хлорсодержащие препараты и триэтиленгликоль в виде их испарении или аэрозолей. Указанные дезинфектанты снижают общее количество микроорганизмов в воздухе более чем на 90/о. Хорошие результаты для обеззараживания воздуха производственных цехов и холодильных камер дает озонирование и ультрафиолетовое облучение. Периодическое применение физических (вентиляция, фильтрование) и химических способов дезинфекции, очистки и обеззараживания воздуха и сочетание их с влажной уборкой помещений позволяет значительно понизить бактериальную обсемененность воздуха производственных и бытовых помещений. 6 Контроль качества дезинфекции После санитарной обработки проводят санитарно-гигиенический контроль качества мойки и дезинфекции оборудования, инвентаря, тары, который включает определение общей бактериальной обсемененности смывов с технологического оборудования. Смывы берут с помощью стерильных нержавеющих металлических трафаретов с вырезанной серединой (площадь выреза 10, 25 или 100 см2). Эту площадь протирают стерильным ватным тампоном, смоченным в стерильной воде в пробирке на 10 мл, после чего тампон погружают в эту пробирку, тщательно перемешивают содержимое и высевают 1 мл смыва на мясо-пептонный агар. После термостатирования посевов при 30 °С в течение 24—28 ч определяют общую бактериальную обсемененность в пересчете на 1 см2 исследуемой поверхности. В смывах с хорошо вымытого оборудования общее количество микроорганизмов и коли-индекс не должны превышать их содержания в чистой воде, поступающей на мойку. Контроль качества мойки и дезинфекции трубопроводов, рукавов, шлангов подобным образом осуществить нельзя, так как с их внутренней поверхности трудно сделать смывы с помощью трафарета. В этом случае общее количество микроорганизмов и коли-индекс определяют в последней промывной воде путем ее микроскопированця и посева. Общая бактериальная обсемененность и колииндекс промывной воды не должны отличаться от показателей воды, применяемой в производстве. Для контроля качества мойки и дезинфекции инвентаря пробы отбирают в тот момент, когда инвентарь подготовлен к работе. С мелкого инвентаря (мешалки, пробники, термометры, ножи, шприцы и т. п.) мазки берут стерильным тампоном со всей поверхности предмета и исследуют на общее количество микроорганизмов и на наличие кишечной палочки. Со столов, стеллажей, лотков, ведер, лопат и т. д. мазки берут стерильным тампоном при помощи обожженного трафарета и производят аналогичные анализы. Для контроля качества мойки и дезинфекции тары (бочки, бидоны, цистерны) пробы последней промывной воды микроскопируют или высевают на плотные питательные среды. Общее количество микроорганизмов в 1 мл и коли-индекс не должны значительно отличаться от обсемененности воды, применяемой в производстве. Контроль чистоты рук и одежды персонала. При несоблюдении личной гигиены (чистоты рук, санодежды), особенно во время ручных операций, на пищевые продукты могут попадать микроорганизмы, в том числе и патогенные. Бактериальную загрязненность рук и одежды определяют путем исследования микрофлоры смывов,. В смывах, которые берут перед началом работы, обычно определяют общую бактериальную обсемененность и наличие кишечной палочки. Чистоту рук оценивают по количеству микроорганизмов в 1 мл смыва:  отлично – 1000 ед;  хорошо – 1000-5000 ед;  удовлетворительно – 5000-10000 ед;  плохо – свыше 10000 ед. Наличие бактерий группы кишечной палочки в смывах с рук и одежды не допускается. Контроль за соблюдением правил личной и производственной гигиены осуществляется работниками санитарного надзора и санитарными постами.