1385

Глава 23. Оборудование для брожения пищевых сред

… самое полезное в жизни – совершенствовать свое познание или разум, и в этом состоит высшее счастье или блаженство человека. Спиноза Бенедикт (1632–1677), нидерландский философ

Глава 23 оборудование для брожения пищевых сред

Спиртовое брожение – процесс превращения углеводов в результате культивирования дрожжей в этанол и диоксид углерода. В производстве пива, спирта, вина, кваса, дрожжевого теста под действием ферментов дрожжей происходит превращение сахара в спирт и углекислый газ.

Молочнокислое брожение – является основным процессом в консервировании овощей и плодов, в изготовлении заквасок, сыра и кисломолочных продуктов, а также в производстве ржаного хлеба. В основе молочнокислого брожения лежат процессы глубокого распада молочного сахара под действием микроорганизмов.

Кто поверил бы, что железо притягивается магнитом, если бы не увидел того своими глазами. БЭкон Роджер (1214–1292), английский философ и естествоиспытатель

23.1. Научное обеспечение процесса брожения пищевых сред

Процесс спиртового брожения описывается уравнением Гей-Люссака

кДж.

Из 180 г глюкозы можно получить 92 г этанола и 88 г диоксида углерода. Однако, наряду c этими первичными продуктами получаются побочные вторичные продукты – глицерин, янтарная кислота, высшие спирты, альдегиды, биомасса дрожжей и др.

При распаде 1 г-моля моносахарида при анаэробном брожении высвобождается около 84 кДж (20 ккал) энергии за счет его биохимического превращения и около 17 кДж (44 ккал) за счет теплоты растворения синтезируемого этанола в воде. Это во много раз меньше, чем при аэробном брожении с полным окислением углеводов и образованием воды и диоксида углерода.

В условиях аэробиоза распад углеводов до образования пировиноградной кислоты происходит так же, как и при анаэробиозе, но в отличие от него пировиноградная кислота полностью окисляется до диоксида углерода и воды в цикле трикарбованных кислот. В этом цикле последовательно протекают окислительно-восстановительные реакции, в которых под действием специфических дегидроназ происходит перенос водорода на молекулярный кислород. Причем перенос осуществляется не непосредственно, а через молекулы-переносчики, образующие дыхательную цепь.

В результате аэробного и анаэробного распада углеводов дрожжами доставляется энергия и обеспечиваются процессы синтеза биомассы различными предшественниками. Из щавелево-уксусной и -кетоглутаровой кислот в результате восстановительного аминирования и переаминирования образуются, соответственно, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Синтез этих двух аминокислот занимает главное место в синтезе белков из углеводов.

Подготовка (варка) пивного сусла представляет собой комплекс биохимических реакций, протекающих в измельченном солоде под действием гидролиза (в основном, амилаз и протеаз). От правильного ведения гидролитических реакций зависят эффективность процесса брожения, выход, вкус и аромат пива. Процесс сбраживания пивного сусла идет в две стадии: главное брожение, продолжительность которого 6…8 дней, протекает при температуре 5…8 С; дображивание – от 20 до 100 дней при температуре около 1 С и абсолютном давлении 0,14…0,15 МПа. На последней стадии идет формирование специфических вкусовых свойств пива и насыщение его диоксидом углерода. Важную роль при достижении этой цели играет раса дрожжей.

В технологии этанола основная цель брожения – получить высокий выход спирта. Крахмалосодержащее сырье подвергают тепловой обработке, что связано с получением гомогенной сваренной массы, с клейстеризацией и превращением крахмала в растворимое легкоподвижное состояние. В таком виде крахмал легко гидролизуется амилазами в сбраживаемые сахара. Осахаренная среда (сусло) сбраживается специальными расами дрожжей Saccharomyces cerivisiae при 28… 30 С. Важно, чтобы сбраживаемые сахара полностью превратились в этанол, для чего необходимы три условия: высокая активность дрожжей; высокая активность амилаз, превращающих несбраживаемые декстрины и остаточный крахмал в сбраживаемые сахара; предотвращение развития в процессе спиртового брожения посторонней микрофлоры, особенно кислотообразующих бактерий. Сбраживание мелассы осуществляют после ее разбавления водой до необходимой концентрации сахара (около 18…20 % сухих веществ) и тепловой обработки (стерилизации) полученного сусла.

В технологии вин возбудителями спиртового брожения являются специальные винные дрожжи. Широкий ассортимент вин определяется, прежде всего, физиолого-биохимическими особенностями винных дрожжей данной местности, от них в значительной степени зависят букет и вкусовые достоинства вин.

Цель спиртового брожения в хлебопечении – разрыхление теста диоксидом углерода, придание тесту физических свойств, необходимых при его разделке и выпечке изделий. Вследствие большого содержания белков и витаминов группы В дрожжи существенно повышают биологическую ценность хлеба. Наряду с диоксидом углерода и этанолом при брожении теста образуются побочные продукты, обуславливающие вкус и аромат хлеба. Брожение ведется в интервале температур 25…35 С, величина рН при брожении изменяется от 6 до 5 и ниже, что связано с растворением в тесте диоксида углерода и накоплением органических кислот. В начальный период брожения сбраживаются собственные сахара муки, после чего в процесс брожения вовлекается мальтоза, образующаяся в результате гидролиза крахмала - и -амилазами, поступившими в тесто с мукой.

Согласно уравнению брожения в этиловый спирт переходит 66,7 % углерода сахара, в СО₂ – 33,3 %. Соотношение между количеством углерода, идущего на построение биомассы и на дыхание, непостоянно и зависит от концентрации сахара в среде, температуры и других условий. С повышением концентрации сахара от 1 до 4 % количество углерода, используемого на построение биомассы, увеличивается с 52…55 до 60…61 % и, соответственно, уменьшается на образование СО₂ при дыхании, т.е. процесс становится более экономичным. С понижением температуры среды значительно уменьшается удельный расход сахара на дыхание: при 32 °С он равен 0,22 г, при 20 °С – 0,13 г, при 15 °С – 0,075 г на 1 г прессованных дрожжей. При 36 °С удельный расход сахара на дыхание также ниже, чем при 30°C (0,2 г/г). Коэффициенты полезно использованного углерода при концентрации сахара в среде 2,2 % и температурах 15, 20, 25, 30 и 36 °С соответственно равны (%): 71,6; 67,4; 60,7; 58,5 и 62,7.

С повышением интенсивности окислительных процессов (увеличением интенсивности аэрирования) выход дрожжей по массе сахара, израсходованного в процессе биосинтеза, уменьшается.

Движущей силой процесса молочнокислого брожения являются ферменты, имеющие различное происхождение – это ферменты молока, сычужный фермент и его элементы, а также ферменты микроорганизмов.

К ферментам молока относятся естественная липаза, щелочная и кислая протеазы, щелочная и кислая фосфатазы. Свертывание белков молока сычужным ферментом является одним из наиболее важных процессов при выработке сыра. Сычужное свертывание белков молока включает две стадии – ферментативную и коагуляционную.

При молочнокислом брожении из одной молекулы гексозы молочного сахара образуются две молекулы молочной кислоты

.

Начальной фазой изменения лактозы является расщепление ее ферментом на глюкозу и галактозу, дальнейшее преобразование которых идет по пути гомоферментативного или гетероферментативного брожения. Основная масса этих моносахаров сбраживается в первые дни, причем глюкоза сбраживается быстрее.

Расщепление белков (протеолиз) протекает под действием протеолитических ферментов, в результате чего образуются многочисленные азотосодержащие соединения. Продуктами распада белков в молочных продуктах являются пектиды различной молекулярной массы и аминокислоты. В результате распада белков и аминокислот молочные продукты обогащаются растворимыми в воде азотистыми и безазотистыми соединениями, в результате чего готовый продукт приобретает необходимую консистенцию, характерный вкус и запах. На стадии разложения аминокислот микроорганизмами происходит их дезаминирование, которое в зависимости от условий среды может идти окислительным, гидролитическим и восстановительным путями.

Окислительное дезаминирование сопровождается образованием кетокислот

.

При гидролитическом дезаминировании образуются оксикислоты

.

В результате восстановительного дезаминирования образуются карбоновые кислоты

.

Гидролиз жира (липолиз) происходит под действием фермента липазы, выделяемой молочнокислыми бактериями и другими микроорганизмами, а также липаз молокосвертывающих ферментов. В результате гидролиза триглицириды жира расщепляются на глицерин и жировые кислоты, а при взаимодействии с водой процесс протекает следующим образом:

Гидролиз триглицеридов ускоряется под действием липолитических ферментов, высоких температур и влажности. Продуктами биохимического расщепления жиров являются ди-, моноглицериды и свободные жирные кислоты (масляная, капроновая, каприловая).

Глицерин потребляется молочно-кислыми бактериями, а жирные кислоты накапливаются в сыре.

Молочнокислое брожение играет большую роль в засолке огурцов и помидоров, квашении капусты, мочке яблок. Молочная кислота является консервирующим фактором, предотвращающим развитие посторонней, особенно гнилостной, микрофлоры, придает продукту специфические вкус и аромат.

В технологии молочной кислоты используются термофильные молочнокислые бактерии (Lbm. cereale, по старой номенклатуре – Delbrukii). Основным сырьем является свекловичная меласса. Оптимальная температура действия этих бактерий лежит в пределах 48…55 С. Мелассу разбавляют водой до концентрации 3…4 % (по сахару), пастеризуют при 70 С, затем раствор охлаждают до 48…50 С, вносят культуру молочнокислых бактерий. Для поддержания оптимального значения рН (5,5…6,0) используют СаСО₃. В ходе брожения вводят такое количество сахара, чтобы содержание лактата в культуральной жидкости было около 15 %. Брожение продолжается 6…8 сут. Выход молочной кислоты составляет около 90 % от массы сахара. Выделяют молочную кислоту из культуральной жидкости в виде лактата кальция, из которого разложением серной кислотой получают чистую молочную кислоту.

Молочнокислое брожение в технологии ржаного хлеба необходимо, во-первых, для накопления достаточно большого количества молочной кислоты, осуществляющей инактивацию -амилазы (этот фермент весьма активен в ржаной муке и проявляет интенсивное декстринирующее действие на крахмал при выпечке хлеба); во-вторых, для придания хлебу кисловатого вкуса и приятного аромата; в-третьих, для разрыхления теста диоксидом углерода.

Для брожения используется часть старого выбродившего теста, получившего название закваски и содержащего как гомоферментативные, так и гетероферментативные молочнокислые бактерии. В зависимости от количественного соотношения этих видов бактерий, условий их жизнедеятельности в тесте будут накапливаться в разных количествах и продукты брожения.

Сомнение доставляет мне не меньшее наслаждение, чем знание. Данте Алигьери (1265–1321), итальянский поэт