Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биотехнологические основы хлебопекарного производства. Учебное пособие
.pdf
51
тельные процессы (аконитаза, фумараза, малатдегидрогеназа и
др. ), а также ферменты энергетического метаболизма . В рибосомах локализованы ферменты, участвующие в синтезе белков.
Взаимосвязь дрожжевых клеток с питательной средой, приспособление к ней создают благоприятные физико-химические
условия для регулирования и корректировки внутриклеточных
биохимических превращений.
В условиях хлебопекарного производства факторами,
влияющими на рациональный ход технологического процесса и
качество продукции, являются исходная биологическая активность дрожжей и способность их адаптироваться к анаэробным
условиям в полуфабрикатах. От этих факторов зависят бродильная активность, углеводный и азотный обмен, образование ферментов.
Условия культивирования биомассы Saccharomyces cere-
visiae на дрожжевых заводах способствуют образованию в дрожжах активного ферментного зимазного комплекса, одним из
представителей которого служит β-фруктофуранозидаза. Ферменты восстановительного действия в клетках находятся в малоактивном состоянии, так как аэрация культуральной среды и отсутствие в ней индуктора – мальтозы не стимулируют их синтез.
Условия жизнедеятельности дрожжевых клеток в полуфабрикатах хлебопекарного производства резко отличаются от условий при их культивировании на дрожжезаводах, поэтому анаэробная активность в начале брожения проявляется недостаточно. Дрожжевые клетки должны «переключиться» с дыхательного
образа жизнедеятельности на бродильный, при этом изменяется
их внутренняя структура и уменьшается потребление кислорода
на дыхание.
Под термином «брожение» понимают разложение органических веществ под влиянием продуктов жизнедеятельности
микроорганизмов с выделением газов. Так, спиртовое брожение
представляет цепь биохимических процессов, в результате которых происходит распад углевода (глюкозы) с образованием этилового спирта и углекислого газа. Во время брожения дрожжевые
клетки получают ту энергию, которая необходима им для образо-
52
вания (синтеза) новых веществ, используемых для процессов их
существования, роста и размножения.
Начальные этапы спиртового и других видов брожения,
вплоть до образования пировиноградной кислоты, полностью
идентичны гликолизу.
Гликолиз (от греч. Glykys – сладкий и lysis – разложение,
распад) – анаэробное (без участия О2) негидролитическое расщепление углеводов (главным образом глюкозы) в цитоплазме под
действием ферментов, сопровождающееся синтезом АТФ и заканчивающееся образованием молочной кислоты. Гликолиз одной молекулы глюкозы может быть выражен уравнением:
С6Н12О
+ 2Н
6
+ 2АДФ → 2СН3СН(ОН)СООН + 2АТФ –
3РО4
– 135 кДж.
Сравнительное изучение процессов анаэробного расщепления углеводов различными микроорганизмами показало, что
ферменты и катализируемые ими реакции, протекающие с участием фосфорной кислоты, во всех случаях общие и эта общность
сохраняется до образования из субстрата пировиноградной кислоты.
В процессе спиртового брожения в качестве основных продуктов образуются этанол и диоксид углерода, побочных – янтарная кислота, ацетальдегид, глицерин и др. Спиртовое брожение включает промежуточные окислительно-восстановительные
реакции, но никогда не приводит к полному окислению органических веществ. Одновременно осуществляются и биосинтетические реакции.
Основная цель брожения – перестройка структуры молекул
гексозы или другого углеродсодержащего соединения. Эти перестройки обусловливают биохимические превращения исходного
субстрата, протекание окислительно-восстановительного процесса и образование высокоактивного в химическом отношении метаболита – пировиноградной кислоты. При этом этиловый спирт
(С2Н
ОН) можно рассматривать как восстановительное соедине-
5
ние, а диоксид углерода – как окислительное, т.к. в его молекулах
(СО
) отсутствует водород.
2
Различают две стадии спиртового брожения. На первой стадии различные гексозы вовлекаются в процесс диссимиляции,
53
фосфорилируясь за счет АТФ (АТФ расходуется) и образуя глицеральдегид-3-фосфат, на второй стадии происходят окислительновосстановительные реакции и накопление энергии, т.е. этапы, в ходе
которых АДФ фосфорилируется до АТФ (АТФ накапливается).
Диссимиляция (от лат. dissimilis – несходный) в биологии,
противоположная ассимиляции сторона обмена веществ, заключающаяся в разрушении органических соединений с превращением белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов (в том числе
введённых в организм с пищей) в простые вещества. Ряд процессов диссимиляции – дыхание, брожение и гликолиз – занимает
центральное место в обмене веществ . В результате этих процессов происходит освобождение энергии, заключённой в молекулах
сложных органических соединений, которая частично трансформируется в энергию аденозинфосфорных кислот (преимущественно АТФ). Основные конечные продукты диссимиляции во
всех организмах – вода, углекислый газ и аммиак. У животных
эти продукты по мере накопления выделяются наружу. В растительных организмах CO2 частично, a NH3 полностью используются для биосинтеза органических веществ, являясь исходным
материалом для ассимиляции.
Диссимиляция – это совокупность окислительных процессов, при которых освобождается энергия. Именно эта энергия
используется в дальнейшем для осуществления всех жизненных
отправлений организма. Таким образом, эти два противоположных процесса настолько взаимосвязаны друг с другом, что прекращение одного из них влечёт за собой прекращение всего обмена веществ, следовательно, и жизни.
Ассимиляция – (дословно: уподобление, слияние, усвоение)
– это совокупность всех сложных созидательных процессов, про-
текающих в клетках, а значит, и в целостном организме. При ассимиляции происходит накопление энергии.
Катаболизм (от греч. katabole – сбрасывание, разрушение),
совокупность химических процессов, составляющих противоположную анаболизму сторону обмена веществ; процессы катаболизма направлены на расщепление сложных соединений, которые
входят в состав органов и тканей в качестве их структурных элементов (белки, нуклеиновые кислоты, фосфолипиды и др.) или
54
отложены в них в виде запасного материала (жир, гликоген и др.).
В результате катаболизма сложные соединения теряют присущие
им специфические особенности, превращаясь в вещества, частично используемые на биосинтезы, частично выводимые из организма (промежуточные и конечные продукты обмена веществ).
Разные сахара сбраживаются с разной скоростью. Наиболее
легко сбраживаются глюкоза и фруктоза, медленнее – манноза и
галактоза; пентозы (ксилоза, рибоза, арабиноза) дрожжами
S. cerevisiae не сбраживаются. Из дисахаридов хорошим субстратом для спиртового брожения являются сахароза и мальтоза, но
после предварительного гидролиза их на моносахара соответст венно ферментами β-фруктофуранозидазой и α-глюкозидазой.
Суммарная реакция спиртового брожения:
зимазный комплекс
С6Н12О
→ 2С
6
ОН + 2СО2 + 117,36 кДж.
2Н5
Энергетический эффект анаэробного использования углеводов дрожжевой клеткой невелик, т.к. большое количество потенциальной энергии остается в спирте, не подвергающемся ферментативному распаду, поэтому процессы синтеза в дрожжевой
клетке при брожении протекают значительно медленнее, чем при
дыхании. Для получения необходимой энергии она должна потреблять значительное количество гексозы, что снижает экономичность процесса спиртового брожения.
В аэробных условиях дрожжевые клетки наибольшую часть
энергии получают в результате дыхания, при котором электроны
переносятся от органических молекул на молекулярный кислород. Дыхание – сложный процесс, протекающий на стадии размножения микроорганизмов при их производстве. Суммарное
уравнение процесса дыхания:
С6Н12О
+ 6 О2 → 6СО2 + 6Н2О + 2800 кДж.
6
Выход энергии, запасаемой в виде АТФ при кислородном
распаде глюкозы в 18 раз больше, чем при анаэробном.
Как при дыхании, так и при брожении в дрожжевых клетках протекают окислительно-восстановительные процессы. Они
состоят в основном в переносе водорода от одного вещества к
другому.
55
3.4. Биохимические свойства бактерий
Бактерии имеют относительно простое строение клеток и
являются типичными микроорганизмами. Длинна клеток 1-7 мкм,
толщина 0,1-2 мкм. Бактериальные клетки состоят из цитоплазмы
с различными включениями. От внешней среды отделяются клеточной стенкой, представляющей жесткую пористую структуру,
состоящую из сложного полисахаридпептида, который называется пептидогликан или муреин, отсюда название клеточного каркаса – «муреиновый мешок».
Существует классы, подразделяющие бактерии на грамм(+)
и грамм(-), которые соответствуют их реакции по Грамму.
У грамм(-) бактерий муреиновая сеть однослойная, в ней
содержатся соединения липидов с протеидами, сахаридами и
фосфатами.
У грамм(+) бактерий муреиновая сеть многослойная, в ней
мало белков, совсем нет или очень мало полисахаридов.
Клеточная стенка выполняет следующие функции:
- проницаема для солей и низкомолекулярных соединений;
- играет важную роль в обмене веществ между клеткой и
окружающей средой;
- выполняет защитную функцию;
- оболочка клетки химически активна, в ней протекает ряд
химических реакций, вплоть до синтеза полисахаридов и белков.
Морфологически бактерии представлены в виде сферических прямых или изогнутых палочек.
Общая характеристика и классификация молочнокислых
бактерий. Молочнокислые бактерии являются постоянными
спутниками муки, дрожжей, молочных продуктов. Они оказывают влияние на вкус, аромат и усвояемость хлеба.
Содержание молочнокислых бактерий в пшеничной муке в
зависимости от сорта (от общего числа бактерий) составляет, %:
- высший сорт – 9-14;
- 1-й сорт – 11-32;
- 2-й сорт – 25-56;
- отруби – до 50.
56
Свойство молочнокислых бактерий образовывать молочную кислоту объединяет их в отдельную группу, которая занимает одно из первых мест по практической значимости в хлебопечении.
Молочнокислые бактерии могут быть как шарообразной,
так и палочковидной формы, неподвижные, не способные к образованию спор, грамм(+) и не чувствительные к кислороду (факультативные анаэробы).
Рациональный температурный интервал для большинства –
45-47 °С, для кислотообразования – 52-45 °С.
Период деления 60 мин (а у дрожжевых клеток – 1,5-2 ч).
По отношению к температуре делятся на 3 группы:
психрофилы (t = 10 °С);
мезофиллы (t = 30-42 °С);
термофилы (t = 50-70 °С).
К молочнокислым бактериям относятся представители следующих родов: Leuconostocos, Lactobacillus, Streptococcus.
Для приготовления различных продуктов из молочнокислых стрептококков наиболее часто применяют:
- St. Lactic, St. сremoris – гомоферментативные, разлагают
молочный сахар до молочной кислоты;
- L. brevis , cas ei, fermenti, plantarum – мезофильные;
- L. delbrucki i – термофильные;
- L. vulgaricum, acidophilum – применяются для приготовле-
ния кисломолочных продуктов;
- L. helveti cum – используются в сыроделии.
К подгруппе палочковидных относятся L. casei и
L. plantarum – принимают участие в созревании сыра.
Кисломолочные продукты, которые получают с применением данных видов бактерий, широко применяются для профилактического, диетического питания. Они могут содержать специфические антибиотические вещества, подавляющие вредную
микрофлору кишечника, в том числе возбудителей туберкулеза .
К МКБ, широко используемым для получения пробиотиков, относятся Lactobacillus, Streptococcus.
Среди метаболитов МКБ, выполняющих регуляторные
функции, выделяют следующие:
57
1) молочная кислота – ингибирует рост условно-
патогенных микроорганизмов, снижает синтез токсинов плесневых грибов, ингибирует рост железозависимых бактерий;
2) диоксид углерода (углекислый газ) – снижает дыхатель-
ный потенциал у аэробных кишечных бактерий;
3) пероксид водорода – осуществляет токсическое действие
на каталазоположительную микрофлору, хороший окислитель,
снижает фактор адгезии у бактерий.
МКБ составляют обширную группу микроорганизмов, образующих в результате брожения молочную кислоту. Основной
средой обитания МКБ является почва, где они обычно содержатся вокруг корней культурных растений, особенно злаковых. МКБ
часто встречаются в растениях, молочных и мясных продуктах, в
кишечнике животных и человека. Среди множества микроорганизмов, имеющих практическое значение, они занимают одно из
первых мест. Согласно предложенной классификации Рагоза и
Шарк (60-е гг. 20-го в.) МКБ относятся к семейству Lactobacilli-
aceae, роду Lactobacillus.
В пределах рода выделено 3 подгруппы, отличающиеся
между собой по физиолого-биохимическим признакам.
1. Thermobacterium. В процессе брожения образуют молоч-
ную кислоту и имеют температурный оптимум 40-60 °С.
2. Streptobacterium – образуют молочную кислоту, но раз-
виваются при температуре 25-37 °С.
3. β-Bacterium. Эта подгруппа состоит из вида, который в
процессе брожения помимо молочной кислоты образуют ряд летучих кислот (уксусная и муравьиная)
Род Lactobacillus можно охарактеризовать следующим образом. Морфологические признаки: прямые палочки, длина от 2-5
до 12-15 мкм, толщина от 0,5 до 2,1, с закругленными концами,
расположены по одной, попарно или цепочками; как правило,
неподвижны, спор не образуют, Гр(+).
Культуральные признаки: в жидкой среде первые двое суток вызывают интенсивное, равномерное помутнение. Если в
среду добавить мел, то наблюдается выделение углекислого газа.
Клетки находятся во взвешенном состояние благодаря конвекционным токам. По окончанию процесса брожения клетки оседают
58
на дно, среда осветляется. Являются факультативными анаэробами, так как лучше растут без доступа воздуха.
Физиологические признаки: по ферментативной деятельности МКБ разделяются на гомоферментативные (сбраживают сахара до молочной кислоты), гетероферментативные (кроме молочной кислоты образуют уксусную кислоту, этиловый спирт и
углекислые газ), требовательны к источникам питания, из углеводов преимущественно сбраживают гексозы и дисахариды.
Только некоторые ферментативные виды сбраживают пептозу.
Помимо углеводов нуждаются в аминокислотах, витаминах и
различных факторах роста и растут на слабокислых средах. Оптимальная кислотность рН 5-6. В полуфабрикатах хлебопекарного производства выдерживают и более низкие значения рН, причем считается, что реакция среды влияет на характер брожения.
В кислой среде при недостатке кислорода образуют в основном молочную кислоту. Концентрация сахара выше 1 5 %, соли – выше 6 %. Накопление молочной и уксусной кислот неблагоприятно сказывается на метаболизме МКБ. Однако они обладают высокой спиртоустойчивостью – до 24 %.
Из 15 видов чаще всего встречаются следующие.
L. delbruckii. Этот вид относится к подгруппе термобактерии,
клетки в виде крупных палочек до 10 мкм в длину, располагаются
одиночно или парами. Особенности: сбраживают глюкозу без
образования углекислого газа, оптимальная температура роста
45-50 °С, из других углеводородов сбраживают сахарозу, мальтозу, галактозу. Не сбраживают лактозу, раффинозу, декстрины;
требовательны к содержанию азота в питательной среде, хорошо
развиваются в мучных средах, хорошие кислотообразователи. В
технологии хлеба используется в производстве жидких дрожжей.
L. brevis . Относятся к подгруппе β-bacterium. Сбраживают
глюкозу с образованием углекислого газа, клетки в основном 2-4
на 0,7-1 мкм, без включения зерен волютина. Расположены одиночно или цепочками разной длины, колонии мелкие. Сбраживают сахарозу, галактозу, мальтозу, арабинозу. Факторами роста
являются B1 и фолиевая кислота. Оптимальная температура роста
30 °С, но могут расти и при более низких температурах. Отдельные штаммы хорошо развиваются при 34-37 °С. Данный вид спе-
59
цифичен для заквасок и принимает активное участие в образовании ароматического комплекса хлеба.
L. leichmanii. Этот вид входит в подгруппу термобактерий,
клетки бактерий более мелкие, чем у L . delbrucki i на 1 мкм. Расположены одиночно или цепочками, парно наличие в клетках 2
или более зерен волютина (запасной полисахарид). Данный вид
является гетероферментативным. Кроме мальтозы, сахарозы также сбраживают целлобиозу, трегaлозу, лактозу, но не сбраживают галактозу. Нуждаются в В12 и фолиевой кислоте. Температурный оптимум 40-45 °С. Данный вид обнаружен в заквасках, но
особой роли в брожении не играет.
L. plantarum. Относятся к подгруппе стрептобактерий, принадлежат к гомоферментативным видам. Клетки размером 8 на
1 мкм, расположенные либо одиночно, либо короткими цепочками. Зерен волютина в основном не образуют. Сбраживают многие сахара. в том числе мальтозу и сахарозу. Требуются среды,
содержащие разнообразные углеводы, витамины и аминокислоты. Оптимальная температура 30 ° С, однако устойчивы в широком диапазоне температур от 15 до 38 ° С. Отличаются высокой
спиртоустойчивостью (выдерживают концентрации до 20 %).
Данный вид встречается в заквасках и играет основную роль в
процессе кислотонакопления.
L. casei. Относятся к подгруппе стрептобактерий, принадлежат к гомоферментативным видам. По морфологическим,
культуральным и физиологическим признакам очень близки к
виду L. plantarum 22 (трудноотличимы от него). Развиваются при
температуре до 45 °С и принимают участие в образовании молочной кислоты при брожении теста.
L. sanfrancisco. Относятся к группе β-bacterium. Клетки в
виде палочек размером 4 на 1 мкм, расположены одиночно или
парами. По морфологическим и культуральным признакам похожи на L. brevis , температурный оптимум – 35-37oС. Данный вид
широко применяется для приготовления хлебных заквасок в
США и ряде Европейских стран.
L. fermenti. Относятся к гетероферментативным, имеют
клетки в виде коротких палочек 3 на 1 мкм, располагаются одиночно или цепочками, относятся к подгруппе β-bacterium, по
60
культуральным и физиологическим признакам близки к другим
видам. Tемпературный оптимум 37-40 °С, при 15 °С уже не активны. Являются необходимым видом для заквасок.
L. buchneri. Относятся к гетероферментативным видам, к
подгруппе β-bacterium. Клетки мелкие 1 на 0,3 мкм, расположены
одиночно, попарно или в виде коротких цепочек. Растут в широком диапазоне температур 15-45oС. Данный вид встречается в
заквасках в значительных количествах.
3.5. Роль молочнокислых бактерий в технологии хлеба
Молочнокислые бактерии выполняют ведущую роль в
брожении ржаных полуфабрикатов. Это во многом связано с особенностями ржаной муки. Ржаная мука в отличие от пшеничной
не образует клейковины, молочная кислота существенно влияет
на физические свойства ржаного теста, кислотность способствует
набуханию и пептизации белка ржаной муки, а за счет увеличения вязкости теста увеличивается и его газоудерживающая способность.
Ржаная мука содержит активную α-амилазу, что приводит к
накоплению в тесте декстринов. Они делают мякиш липким и
заминающимся. Подавить активность α-амилазы можно путем
повышения кислотности.
Гетероферментативные МКБ участвуют также в разрыхлении теста за счет выделения углекислого газа. МКБ оказывают
большое влияние на вкус и аромат ржаного хлеба. Принято считать, что вкус и аромат хлеба во многом определяются соотношением молочной и летучих кислот. Это соотношение называют
коэффициентом брожения. Молочная кислота придает ржаному
хлебу приятный кисловатый вкус, а летучие кислоты – специфический аромат. Кроме летучих кислот, на аромат хлеба оказывает
влияние органические ди- и трикарбоновые кислоты. В ржаном
хлебе из обойной муки содержится 60 % молочной кислоты, 32 %
летучих кислот и 8 % органических кислот (янтарная, яблочная,
винная, лимонная). Из общей суммы летучих кислот на долю уксусной приходится 38-65 %, на долю пропионовой – 28-52 % и
муравьиной – 2-1 0 %.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]