9 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРООРГАНИЗМОВ

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи приемов биотехнологии с использованием микроорганизмов, обширен. Это касается, прежде всего, продуктов, где продукты микробного брожения являются незаменимыми: хлеб, сыр, вино, пиво, спирт, кефир, йогурты, творог и многие другие.

До недавнего времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности только с целью усовершенствования освоенных процессов и более умелого использования микроорганизмов, но будущее здесь принадлежит исследованиям по созданию более эффективных продуктов с заданными свойствами, в том числе генно-модифицированных изделий, а также с продуктивными генетическими штаммами, созданными для конкретных нужд. Внедрение новых методов в технологии получения и использования микроорганизмов позволит создавать новые биологически активные добавки и функциональные продукты.

9.1 Биотехнология молочных продуктов

Получение молочных биопродуктов 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 (3,0-3,2%), 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 молочно-кислые 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

53

проводят его пастеризацию, 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.

Молочно-кислое 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.

Для процессов ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов молочнокислых грибков и молочно-кислых 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 – молочно-кислые 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.

Культуры для заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится направленный мутагенез и отбор штаммов, отвечающих перечисленным выше требованиям. Биотехнологии на основе молока включают, как правило, все основные стадии биотехнологического производства, которые лучше всего иллюстрируются на примере сыроварения.

54

Производство сыра

Сыр – не только вкусный, но и чрезвычайно полезный молочно-кислый продукт. Французы говорят: «Десерт без сыра, что девушка без улыбки». Сыр довольно калориен – в 100 г продукта содержится до 300-400 ккал, а усваивается практически полностью. Он богат легкоперевариваемыми белками, жирами, кальцием, фосфором, а также витаминами A и B.

Производство сыра, или сыроделие (сыроварение), – один из древнейших процессов, основанных на ферментации. Сыры бывают самые разнообразные – от мягких до твердых. Мягкие сыры содержат много воды (50-60%), а твердые

– мало (13-34%). Существуют также плавленые сыры, которые готовят при высокотемпературной обработке (плавлении) с добавлением специальных плавительных солей.

Свёртывания молока при производстве сыра может идти двумя путями: с помощью сычужного фермента реннина или молочной кислоты, которую вырабатывают молочно-кислые бактерии, входящие в состав заквасок. Производство сыра проходит такие стадии: подготовка молока к свёртыванию (нормализация, пастеризация, внесение бактериальных заквасок), свёртывание молока, удаление лишней сыворотки, разрезание полученного сгустка, формование, прессование, посолка и созревание сыра. Качество молока контролируется на кислотность, содержание жира, плотность, степень микробиологической и механической чистоты. Жирность сырья контролируется путем добавления обезжиренного молока или сливок. Молоко пастеризуют при температуре 71-76оС, а затем охлаждают до температуры свёртывания (28-33оС). В смесь добавляют от 0,3 до 3% (по объёму) бактериальной закваски (в зависимости от вида сыра), приготовленной на чистых культурах молочно-кислых бактерий, хлорид кальция для улучшения свёртывания (до 40 г сухого вещества на 100 кг молока) и молокосвёртывающий фермент. Под действием фермента молоко образует плотный сгусток, который при дальнейшей обработке освобождают от лишней сыворотки, дробят на равномерные кубики (зёрна), нагревают и вымешивают для получения однородной массы, затем формируют сырную массу.

На первом этапе идет подготовка молока (первичная обработка). На втором – готовится культура молочно-кислых бактерий. Микроорганизмы подбираются в определенной пропорции, обеспечивающей наилучшее качество. Набор бактерий также зависит от температуры термообработки. Третья стадия

– стадия ферментации – в сыроварении в некоторых случаях происходит в два этапа: до и после стадии выделения. Сначала молоко инокулируют определенными штаммами микроорганизмов, приводящими к образованию молочной кислоты, а также добавляют сычужный фермент реннин. Он ускоряет превращение жидкого молока в сгусток (створаживание) в несколько раз. Эта реакция активируется молочной кислотой, вырабатываемой бактериями. Функции реннина могут выполнять и другие протеиназы, но реннин также участвует в процессах протеолиза, происходящих в сыре при созревании. После образования сгустка сыворотку отделяют, а полученную творожистую массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созрева-

55

ние. Иногда полученная масса происходит дополнительную обработку, которая заключается в следующем: заражение спорами голубых плесневых грибов при производстве рокфора; нанесение на поверхность спор белых плесневых грибов при производстве камамбера и бри; нанесение бактерий, необходимых для созревания некоторых сыров. Некоторые сыры после выделения должны подвергнуться дальнейшей ферментации (стадия созревания). Микроорганизмы и ферменты в ходе этого процесса гидролизуют жиры, белки и некоторые другие вещества молодого сыра. В результате их распада образуются вещества, придающие сырам характерный вкус.

Процессы ферментации используются при производстве многих молочных продуктов, таких, например, как сметана, творог, йогурты, сыры, которые идут в ферментерах открытого типа. Как правило, они занимают немного времени. К одним из самых простых относят производство кефира, простокваш, сметаны и масла. Например, при производстве сметаны к сливкам добавляют 0,5-1% закваски, используемой при производстве масла. Далее продукт выдерживают, пока концентрация кислоты не достигнет 0,6%.

Процессы получения молочнокислых продуктов весьма просты и доступны для воспроизводства в домашних условиях. Они не требуют строгих условий соблюдения стерильности, протекают, как правило, при комнатной или чуть повышенной температуре. Собственно, изначально они были одними из первых «домашних» биотехнологий, которые были позднее поставлены на промышленную основу.

В сыроделии используются три способа формирования сырной массы:

•Налив – из сыродельной ванны удаляют 60-70% сыворотки, и оставшуюся сырную массу (с сывороткой) разливают по формам. Этот способ характерен при производстве мягких сыров, таких как медынский, рокфор, камамбер, дорогобужский, смоленский. Мягкие сыры имеют мажущуюся консистенцию.

•Насыпь – сырная масса (с сывороткой) направляется на отделитель сыворотки, где сырное зерно освобождается от жидкости и насыпается в формы. Этот способ, называется насыпью, применяется при производстве твердых сыров, отличающихся связной, эластичной консистенцией: швейцарского, российского, угличского и др.

•При формовании сыра из пласта сырное зерно уплотняют под слоем сыворотки, затем сливают жидкость, а полученный пласт режут на куски нужного размера и выкладывают в формы. Этот способ применяют при производстве советского, голландского, костромского и другихсыров.

После формования сыр прессуют в куски (головки) под действием собственного веса (в основном мягкие сыры) или с помощью пресса. Полученные головки сыра солят, погружая в 20-22%-ный раствор поваренной соли. От содержания поваренной соли зависит достижение всех органолептических свойств: вкус, аромат, консистенция (степень густоты), рисунок и др. Далее сыр (за исключением рассольных сортов) направляют в камеры для созревания, где поддерживаются определённые темпеpaтура и влажность воздуха. Здесь начи-

56

нается деятельность разнообразных молочно-кислых и пропионово-кислых бактерий, в результате чего накапливаются органические вещества – пептиды, аминокислоты, амины, участвующие в создании органолептических свойств сыра. Сладкий вкус определяют такие аминокислоты, как аланин, глицин, пролин; горький – лейцин, изолейцин, гистидин, лизин. Накопление горьких органических соединений снижает качество сыра, в дорогих сортах их намного меньше: в Швейцарский и Советский сыры вклад в аромат вносит аминокислота – пролин, в Чеддер и Российский – альдегид-метионал. Приятный запах Рокфора в значительной мере связан с образованием метилкетонов, возникающих при микробном окислении жиров.

Всозревании некоторых сыров участвуют плесневые грибы, рост которых происходит по всей толще продукта, например, в сорте Рокфор. Название свое он получил от одноименной деревни (близ Гренобля, Франция), где изготовляют сыр из овечьего молока. Созревание продукта происходит в гротах и пещерах, там гуляет холодный и влажный воздух, а температура не превышает 10 °С. После посола сырную массу заражают спорами грибка и протыкают стальными иглами, что увеличивает поступление воздуха в сырную массу и способствует ферментации, при этом выделяются кислоты, придающие продукту соответствующий аромат. Созревает Рокфор в течение нескольких месяцев. Аналогично готовят закваску и для сыра марки Камамбер. Кроме спор грибка, в нее включают молочно-кислые стрептококки. После завершения роста микроорганизмов здесь развиваются слизеобразующая Bacterium Linens и особые дрожжи; они также размягчают сыр и наделяют его приятным запахом.

Врезультате созревания сыр приобретает характерные вкус, запах, консистенцию, рисунок и цвет. За придание сыру остроты и аромата отвечают про- пионово-кислые бактерии продуцируют такие летучие ароматические соединения, как ацетоин, диацетил, диметил сульфид, ацетальдегид. Субстратом для их деятельности служат молочные жиры. Белки под действием ферментов распадаются на пептиды и аминокислоты, а затем до аммиака и других простых веществ. В мягких сырах, созревающих под действием поверхностной микрофлоры и плесени, особенно у сыров, созревающих с участием плесеней (Рокфор, Камамбер), жир претерпевает более значительные изменения по сравнению с твёрдыми. Создание рисунка сыра вызывается в основном образованием углекислого газа в плотной сырной массе. Готовый сыр после образования на нём сухой корки обычно парафинируют, покрывают полимерными плёнками, эмульсиями.

Рассольные сыры (брынза, чанах и др.) созревают в рассоле, поэтому не имеют корки и отличаются остросолёным вкусом. Зелёный сыр приготовляется из обезжиренного молока, белок которого при созревании приобретает своеобразную остроту. Для придания сыру зелёного цвета и специфического запаха в сырную массу добавляют порошок, полученный из зелёных листьев пажитника голубого.

Плавленые сыры получают путем плавления натуральных при температуре 75-80оС с использованием солей-плавителей (фосфатов, цитратов натрия и

57