Глава 18 подкислители

Подкислителями считаются пищевые кислоты, использу­емые как вкусовые добавки для придания продуктам «острого» вкуса и для сохранения пищи.

Главными пищевыми кислотами считаются четыре органичес­кие кислоты: лимонная, молочная, уксусная и винная (иногда к ним причисляют яблочную).

Несмотря на значительный прогресс в области органического синтеза, многие пищевые кислоты получают в настоящее время микробиологическим синтезом (табл. 18.1).

Продукты естественного брожения для пищевой промышлен­ности более предпочтительны, чем синтетические кислоты, так как они безвредны для организма человека.

Для получения пищевых кислот используют как традиционные технологии, так и новейшие достижения биотехнологии.

18.1. Лимонная кислота

Лимонная кислота (СН₂СООН—СОНСООН—СН₂СООН) — трехосновная оксикислота, кристаллизующаяся из водных рас­творов с одной молекулой воды в виде бесцветных, прозрачных кристаллов ромбической формы. Из всех пищевых кислот она об­ладает наиболее мягким вкусом и не оказывает раздражающего действия на слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта. Регуляторами рН пищевых систем являются соли лимонной кис­лоты — цитраты натрия, калия, кальция, магния и аммония.

В природных условиях лимонная кислота встречается главным образом в незрелых плодах цитрусовых, ананасов, груш, инжира, брусники, клюквы и др. Первые заводы по производству кристал­лической лимонной кислоты из природных источников — апель­синов и лимонов — были созданы в Италии в середине XIX в.

В настоящее время по объему производства лимонная кислота является одним их главных продуктов микробного синтеза. Ее об­щий выпуск в различных странах достигает 800 тыс. т в год.

Годовой прирост производства лимонной кислоты составляет 5 % существующего уровня. Около 70 % производимой лимонной кислоты используют в пищевой промышленности, 18—20 % — в виде ее соли, цитрата натрия, для изготовления экологически чис­тых моющих средств.

Многие органические вещества могут быть трансформированы микромицетами в лимонную кислоту, но ее максимальный выход достигается при биосинтезе из сахарозы или фруктозы.

Химизм образования лимонной кислоты. Синтез лимонной кис­лоты связан с циклом дикарбоновых кислот и происходит в ре­зультате конденсации щавелево-уксусной кислоты, содержащей четыре атома углерода и две карбоксильные группы, с уксусной кислотой, имеющей два атома углерода и одну карбоксильную группу (рис. 18.1).

Промышленным способом лимонную кислоту получают из ме­лассы микробиологическим синтезом, применяя главным образом мутантные штаммы микроскопического гриба Aspergillus niger. За­воды малой и средней мощности производят лимонную кислоту поверхностным методом культивирования. Глубинный метод эко­номически выгоден, если мощность завода превышает 2500 т ли­монной кислоты в год.

Меласса считается пригодной для производства лимонной кис­лоты поверхностным способом, если съем лимонной кислоты при контрольном сбраживании составляет не менее 1,25 кг/м² в сутки, глубинным способом —10—12 кг/м³.

Хорошо сбраживаемые мелассы обычно содержат, %: инвертного сахара — не более 1, СаО — 1, SO₂ — 0,06 при общем содер­жании сухих веществ не менее 75 и сахара более 46.

Производство лимонной кислоты включает следующие основ­ные технологические стадии:

• получение посевного материала;

• подготовка мелассы к сбраживанию;

• сбраживание растворов мелассы в лимонную кислоту;

• отделение мицелия;

• выделение из сброженных растворов лимонной кислоты;

• получение ее в кристаллическом виде и высушивание. Тщательно проверенную на микробиологическую чистоту и биохимическую активность музейную культуру используют для приготовления посевного материала. Посевной материал размно­жают в пробирках с агаризованной средой (сусло-агар), а затем в колбах и кюветах — на твердой питательной среде. Длитель­ность каждой стадии 2—7сут, оптимальная температура выра­щивания 32 °С.

В зависимости от способа сбраживания мелассу разбавляют и готовят растворы с различной концентрацией сахара: для поверх­ностного выращивания A. nigerjxo 13—15 %, для глубинного куль­тивирования — 3—4 и 25—28 %. рН приготовленных растворов доводят H₂SO₄ до 6,8—7,5. Для выращивания продуцентов лимон­ной кислоты возможно использование крахмалосодержащего сырья. Предварительно осуществляют гидролиз крахмальной суспензии, содержащей 26—30% СВ, ферментным препаратом бактериаль­ной а-амилазы, взятым в количестве 1,5—2,0 ед. амилолитической активности (АС) на 1 г СВ крахмала, при повышенной температу­ре и избыточном давлении. К гидролизату добавляют минераль­ные соли в виде сульфатов цинка, железа (II), меди в количестве (2,0—7,0)10^-3 г/дм³ гидролизата крахмала.

Поверхностный способ. При этом способе выращива­ния A. niger подготовленную мелассу подают в варочный аппарат, где разбавляют кипящей водой в соотношении 1:1, рН раствора доводят до 6,8—7,2. При кипячении вводят раствор желтой кровя­ной соли для осаждения железа и солей тяжелых металлов с таким расчетом, чтобы избыток свободного ферроцианида, угнетающего развитие микроорганизма, не превышал 10мг%.

Для активного биосинтеза лимонной кислоты в питательной среде кроме сахара должно содержаться 0,07 % азота, 0,02 % Р₂О₅, а также цинк, магний, калий и другие микроэлементы, которые вводят в среду в виде солей. Готовая среда с температурой 45...50 °С поступает в бродильные камеры. Культивирование гриба осуще­ствляют в кюветах из нержавеющей стали или алюминия, установ­ленных на стеллажах. После предварительной стерилизации камер парами формалина, дегазации газообразным аммиаком и охлажде­ния до 30... 40 °С воздухом производят заполнение кювет питатель­ной средой (толщина слоя от 8 до 18 см). В камере предусмотрена система вентиляции для подачи нагретого (до 30...32 °С) стериль­ного кондиционированного воздуха из расчета 3—18 м³/ч на 1 м² по­верхности кювет. В питательную среду через воздуховоды с по­мощью специального устройства для распыления вносят посевной материал из расчета 50—75 мг конидий на 1 м² площади кюветы.

Наиболее эффективный режим культивирования — так называ­емый бессменный способ с доливом. Суть его заключается в том, что раствор мелассы в количестве 30—35% начального объема вводят под пленку гриба. Долив питательной среды производят один или несколько раз, начиная с четвертых-пятых суток роста, через каждые 36—48 ч. Добавляемый раствор мелассы содержит 8,5—11,0 % сахара и не имеет в своем составе питательных солей и антисептиков. Такой режим обеспечивает увеличение съема ли­монной кислоты с 1 м² бродильной поверхности на 15—20% и снижает удельный расход мелассы на 10—45% по сравнению с другими методами.

Брожение прекращают, когда в растворе остается 1—2 % сахара и общая титруемая кислотность в сброженном растворе достигает 12—20 %. Сброженный раствор сливают в сборник. Для промыв­ки мицелия под грибную пленку подливают горячую воду. После слива промывных вод мицелий по вакуум-линии транспортируют в запарник для отмывания от кислоты горячей водой. Кислые рас­творы (концентрация 2,5—6,0%), собранные из-под ложного днища запарника, подают на фильтр-пресс. Выгруженный из за­парника с помощью шнека мицелий используют на корм скоту.

При поверхностном способе выращивания A. niger основные растворы содержат от 12 до 20 % органических кислот в пересчете на лимонную кислоту, 0,5—2,0 % несброженных сахаров и другие продукты метаболизма. Содержание лимонной кислоты в сбро­женных растворах составляет 94—98 %.

Глубинный способ. При глубинном способе выращива­ние A. niger ведут в ферментерах (рис. 18.2). Конидии проращива­ют в посевных аппаратах (инокуляторах).

Раствор мелассы, содержащий 3—4 % сахара, для посевных ап­паратов готовят в варочном аппарате. Мелассу разбавляют кипя­щей водой, устанавливают рН 7,0—7,2, для удаления железа при кипячении добавляют желтую кровяную соль, растворы NH₄CI и MgSO₄ вводят в регламентированных количествах.

Подготовленный раствор стерилизуют при 128...130 °С в течение 12—15 мин. В раствор мелассы, охлажденный в посевном аппарате до 35...36 °С, добавляют стерильные растворы К₂НРО₄ и MgSO₄. Для произ­водственного ферментера раствор мелассы готовят в той же после­довательности. Растворы питательных солей готовят отдельно и стерилизуют при температуре 123... 125 °С. Воду стерилизуют при 128...130ºС.

Подливной раствор должен иметь 25—28%-ю концентрацию по сахару и температуру 34...36 °С, как и основной сбраживаемый раствор. Подливной раствор направляют в сборник. Посевной аппарат засевают предварительно подготовленной суспензией ко­нидий (3 г сухих конидий суспендируют в 2—3 дм³ стерильного раствора мелассы или питательной среды). Культуру выращивают при 34...35 °С при постоянном перемешивании, дробной аэрации и избыточном давлении в аппарате 10—20 кПа.

Процесс подращивания мицелия заканчивается через 30—36 ч. Общая титруемая кислотность культуральной жидкости составляет 1—2%. Подращенный мицелий передают для засева среды в производственном ферментере.

Процесс кислотообразования продолжается 5—-7сут при тем­пературе 31...32 °С, непрерывном перемешивании и дробной аэра­ции от 1,0 до 1,5 м³/(м³-ч).

Начиная со 2-х суток после посева по мере снижения концентра­ции сахара в среде 2—3 раза проводят дробное введение подлив­ного 25—28%-го раствора, обычно из расчета доведения конечной концентрации сахара в сбраживаемом растворе до 12—15 %. По­сле окончания процесса сброженный раствор нагревают острым паром до 60...65 °С и сливают в сборник, откуда его подают на ва­куум-фильтр для отделения мицелия и промывки его горячей во­дой. Отделенный и промытый мицелий направляется на корм скоту. Основной раствор лимонной кислоты вместе с промывны­ми водами передается в химический цех для выделения лимонной кислоты.

При глубинном способе сбраживания основные растворы со­держат от 5 до 12 % органических кислот, 0,2—1,5 % сахара, а ли­монная кислота составляет 80—98% суммы всех кислот. Схема выделения лимонной кислоты из сброженных растворов представ­лена на рисунке 18.3.

Сброженные растворы представляют собой смесь лимонной, глюконовой и щавелевой кислот, несброженного сахара и мине­ральных примесей. Лимонную кислоту из раствора выделяют пу­тем связывания ее катионами кальция с образованием слаборас­творимой соли цитрата кальция.

Сброженный раствор нагревают в нейтрализаторе до кипения, после чего в него при непрерывном перемешивании вводят известковое молоко. Нейтрализация считается законченной при рН 6,8—7,5. При нейтрализации сброженного раствора образуют­ся кальциевые соли лимонной, глюконовой и щавелевой кислот:

Кальциевые соли лимонной и щавелевой кислот выпадают при этом в осадок, а кальциевая соль глюконовой кислоты и основная часть органических и минеральных веществ мелассы остаются в растворе. После отделения маточного раствора осадок на вакуум-фильтре промывают горячей водой (температура около 95 °С).

Перевод лимонной кислоты в свободное состояние и отделение ее от оксалата кальция достигается обработкой осадка H₂SO₄ с последующим фильтрованием. Разложение цитрата кальция осу­ществляют в реакторе, снабженном мешалкой и паровым барботером. В реактор подают воду из расчета 0,25—0,5 м³ на 1 т ли­монной кислоты и при работающей мешалке загружают туда же цитрат кальция с таким расчетом, чтобы после его разложения концентрация лимонной кислоты в растворе была не ниже 25 %. В качестве осветлителя в реактор вводят активированный уголь (2 % массы лимонной кислоты), содержимое реактора нагревают до 60 °С и при перемешивании подают из мерника серную кислоту (плотность 1,8—1,84) из расчета 0,425 дм³ на 1 кг лимонной кис­лоты в цитрате. Смесь кипятят в течение 10—20 мин.

Разложение цитрата кальция серной кислотой протекает по уравнению

Са₃(С₆Н₆О₇)₂ + 3H₂SO₄ = 2С₆Н₈О₇ + 3CaSO₄

После полного разложения цитрата кальция в реактор вводят гранулированный сернистый барий (из расчета 0,1—0,15 кг на 100 кг лимонной кислоты) для осаждения тяжелых металлов. Для отделения раствора лимонной кислоты от осадка, содержащего гипс, оксалат кальция, уголь, сернистые соединения, тяжелые ме­таллы и берлинскую лазурь, горячую реакционную смесь направ­ляют из реактора на вакуум-фильтр. Отфильтрованный раствор передают на дополнительное выпаривание, а осадок на фильтре промывают горячей водой (90 °С). Промывку осадка прекращают при содержании лимонной кислоты в промывной воде 0,1 %. Средняя концентрация раствора лимонной кислоты (вместе с промывными водами) должна быть не ниже 16 %.

Выпаривание осуществляют в вакуум-аппаратах и проводят в две стадии с промежуточным освобождением раствора от осадка гипса. В первом аппарате раствор выпаривают до плотности 1,24— 1,26 кг/дм³, осадок отделяют на фильтре-прессе. Во втором аппарате прозрачный раствор выпаривают до плотности 1,35—1,36 кг/дм³, что соответствует 80%-й концентрации лимонной кислоты, и пе­редают на кристаллизацию (температура раствора 70 °С), затем рас­твор охлаждают до 35... 37 °С и вносят в него затравку — кристаллы лимонной кислоты. Кристаллизацию проводят при непрерывном перемешивании и медленном охлаждении до температуры 8...10 °С, при этой температуре раствор выдерживают не менее 30—45 мин. Кристаллы отделяют в центрифуге, промывают их небольшим ко­личеством холодной воды и передают на сушку.

Сушку проводят в ленточных или барабанных пневматических сушилках при температуре воздуха не более 35 °С. В товарном продукте должно содержаться не менее 99,5 % лимонной кислоты (в пересчете на моногидрат), зольность не более 0,1 % для высше­го сорта и 0,35 % для I сорта.

Лимонную кислоту широко используют в кулинарии и пище­вой промышленности для приготовления хлебного кваса, безалко­гольных напитков, мармелада, вафель, пастилы и др. Лимонная кислота включена в рецептуру некоторых сортов колбас и сыра, ее применяют в виноделии, для рафинирования растительных масел, для производства сгущенного молока. С ее помощью сохраняют естественный вкус и аромат мяса и рыбы при длительном хранении.

Пищевые добавки на базе солей лимонной кислоты, придаю­щие целевые функциональные свойства пищевому сырью и про­дуктам питания, считаются наиболее безопасными.

Целесообразно применение цитрата кальция, малая раствори­мость которого сбалансирована со скоростью всасывания кальция в кишечном тракте.

О широком применении таких добавок в мировой практике (в основном за рубежом) свидетельствуют данные, приведенные в таблице 18.2.

Применение цитратов при производстве различных напитков позволяет обогащать их важными минеральными добавками, а также модифицировать органолептические показатели (цвет, вкус). Цитраты кальция и магния используют в диетических со­ставах, заменяющих столовую соль.

Замена поваренной соли цитратом калия позволяет выпекать лечебный ахлоридный хлеб для больных сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Интерес к применению цитратов при производстве продуктов питания в последние годы увеличивается, однако по мере разви­тия и углубления исследований возможного влияния добавок (микроэлементов, витаминов) меняются (в основном ужесточают­ся) допустимые нормы содержания отдельных добавок в пищевых продуктах, устанавливаются нормативы для отдельных групп на­селения, уточняются нормативы для диетического питания, напри мер верхний уровень допустимой дозы кальция для взрослых — 2500 мг/сут, магния — 350 мг/сут.

В ближайшем будущем лимонная кислота и ее соли найдут бо­лее широкое применение в нашей стране в составе продуктов но­вого поколения, что будет способствовать оздоровлению всего населения.