1.4. Використання біотехнології в харчових виробництвах

Стародавніми технологіями є хлібопечення, виноробство, пивоваріння, виготовлення квасу, оцту , соління та квашення плодів, овочів, м’яса та риби, виробництво сирів та кисломолочних продуктів тощо. На сучасному етапі розвитку харчових технологій спостерігається як подальша модернізація традиційних біотехнологій, так і розробка нових. Основними напрямками модернізації є застосування біотехнологій для інтенсифікації виробництва, для зменшення негативного впливу жорстких режимів для поліпшення якості, посилення смакових. Ароматичних та інших властивостей продукції. Поряд з цим у розвитку біотехнології в теперішній час відслідковується три чіткі тенденції:

1/ розробка та впровадженням біотехнологій виробництва нових видів продукції – це мікробіологічний синтез ферментів і комплексних ферментних препаратів, антибіотиків, біостимуляторів, харчових добавок;

2/ використання біотехнології утилізації відходів харчових виробництв, побутових відходів, для очищення стічних вод та промислових викидів;

3/ засвоювання нехарчової сировини та утворення метаболітів, які придатні для використання в харчовій промисловості, – соломи, тирси, хвої, кори, бадилля, лушпиння, продукти переробки нафти, вугілля та природного газу.

Більшість традиційних та нових біотехнології й засновані на використанні процесів бродіння, гідролізу та синтезу. Особливо широкого розповсюдження набули бродильні виробництва – етилового спирту, виноградних та плодово-ягідних вин, пивоваріння, хлібовипікання, молочнопереробне та ін. харчові виробництва, в основі яких лежить процес бродіння.

Бродіння – це біохімічне перетворення вуглеводів субстрату під дією ферментів мікроорганізмів, які культивуються на даному субстраті. В залежності від виду продукту і домінуючого метаболіту розрізняють – спиртове, молочнокисле, оцтовокисле, маслянокисле, лимоннокисле, ацетонобутилове та ін. види бродіння.

Спиртове бродіння ініціюється переважно дріжджовими грибами роду сахароміцетів. В різних виробництвах використовують різні види грибів. Оптимальна температура їх розмноження є інтервал 25-30 ^оС, діапазон рН від 2,5 до 4,5, хлібопекарські дріжджі – 4,5, спиртові – 3,5. При підвищенні температури, інтенсивність бродіння зростає, але ріст знижується. При температурах вище 40 ^оС, дріжджі гинуть, при зниженні температури – бродіння уповільнюється, але не гинуть навіть при 2-3 ^оС.

Дріжджі є факультативними анаеробами, тобто вони можуть розвиватися як в присутності кисню (аеробний процес), так і при його відсутності (анаеробний процес). У спиртовому виробництві метою процесу бродіння є накопичення етилового спирту, для чого створюються умови анаеробного бродіння:

С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 118 кДж

В присутності кисню дріжджі переходять на більш енергетично вигідний для них процес окислення цукрів за схемою реакції:

С₆Н₁₂О₆ → 6СО₂ + 6Н₂О + 2824 кДж

Спирт пригнічує розвиток дріжджів. В присутності кисню спиртове бродіння припиняється.

Молочнокисле бродіння – викликається молочнокислими бактеріями і стрептококами. Воно може збуджуватись як чистими культурами мікроорганізмів, так і природною молочнокислою мікрофлорою при сприятливих умовах розвитку. Чисті культури використовують в кисломолочному, сироробному, ковбасному виробництвах, а також при мікробіологічному синтезі молочної кислоти. В таких виробництвах як засолювання, квашення плодів і овочів частіше використовують природну мікрофлору. На перебіг процесу молочнокислого бродіння впливають різні фактори: вид та доступність субстрату, температура, рН, доступ кисню, наявність іншої, крім молочної, мікрофлори. Кращим субстратом є моносахариди. Проте молочнокисла мікрофлора легко гідролізує водорозчинні дисахариди до мономерів – глюкоза, фруктозва, галактоза, та засвоює їх. Зародження цукрів до молочної кислоти іде за схемою

С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃СНОНСООН + 94 кДж

Молочна кислота, що накопичується в кількості 1-2 %, має виражену бактеріальну дію, знижується рН середовища, що створює несприятливі умови для інших видів мікроорганізмів. крім молочнокислих. Молочнокисле бродіння має найбільшу інтенсивність в діапазоні рН 30-35 ^оС. але практично його проводять при більш низьких температурах – 20-25 ^оС і рН 3-4,5, тому що оптимальний діапазон є найкращим і для маслянокислої та гнильної мікрофлори.

Оцтовокисле і лимоннокисле бродіння проводять з метою отримання відповідних кислот, які є харчосмаковими добавками та консервантами і широко використовуються в харчових виробництвах.

Пропіоновокисле, маслянокисле, оцетонобутілове та ін. види бродіння є джерелом синтезу як харчових, так і технічних продуктів – пропіонової, масляної, ізомасляної, ітакової, глутарової, глютамінової та ін. кислот, ацетону, бутілового, ізоамілового спиртів тощо. В якості субстратів використовують різні види натуральної сировини, відходи виробництва або спеціальну сировину. Так, для оцтового бродіння переважно використовують ректифікований етиловий спирт, плодово-ягідні матеріали тощо. Субстратом лимоннокислого бродіння є меляса – відходи цукрового виробництва, або відходами нафтопереробки. Дозрівання, як біотехнологічний процес, переважно є складовою частиною технології виробництва деяких харчових продуктів. Такі стадії присутні в технологіях виробництва вина, пива, кисломолочних продуктів. Вони завершують технологічний процес і відбуваються при зберіганні цих продуктів. В деяких виробництвах – виготовленні сирів, сирокопчених ковбас, м'ясокопченостей, солоної, пряної риби, рибних пресервів – процес дозрівання є вирішальним етапом технології, в процесі якого відбувається формування основних якісних показників, тобто смак, колір, консистенція, структура та ін. При дозріванні вина під дією ферментів сировини в ньому відбуваються складні окислювально-відновні та гідролітичні процеси. При виробництві сирів стадія дозрівання обумовлена дією ферментів молока, сичужного ферменту, молочнокислої та ін. мікрофлори. Під їх впливом у сирній масі проходять процеси гідролізу білків, молочного жиру, молочнокисле та пропіоновокисле бродіння. В залежності від складу сировини, температурного режиму та ін. виробничих умов, ці процеси можуть протікати за різними механізмами і утворювати різні кінцеві продукти. Саме цим пояснюється така велика номенклатура сирної продукції.