Біотехнологія молочних продуктів

Спектр продуктів харчування, які одержують за допомогою мікроорганізмів, великий. Це продукти, які отримують у результаті бродіння – хліб, твердий сир, вино, пиво, кисломолочний сир і так далі. Донедавна біотехнологія використовувалася в харчовій промисловості з метою вдосконалення освоєних процесів і більш вмілим використанням мікроорганізмів, але майбутнє тут належить генетичним дослідженням зі створення більш продуктивних штамів для конкретних потреб, впровадженню нових методів у технології бродіння.

Одержання молочних продуктів у харчовій промисловості побудовано на процесах ферментації. Основою біотехнології молочних продуктів є молоко. Молоко (секрет молочних залоз) – унікальне природне поживне середовище. Воно містить 82 – 88% води й 12 – 18% сухого залишку. До складу сухого молочного залишку входять білки (3,0 – 3,2%), жири (3,3 – 6,0%), вуглеводи (молочний цукор лактоза – 4,7%), солі (0,9 – 1%), мінорні компоненти (0,01%): ферменти, імуноглобуліни, лізоцим і т.д. Молочні жири дуже різноманітні за своїм складом. Основні білки молока – альбумін, казеїн. Завдяки такому складу молоко являє собою прекрасний субстрат для розвитку мікроорганізмів. У зброджуванні молока беруть участь стрептококи й молочнокислі бактерії. Шляхом використання реакцій, які супроводжують головний процес бродіння лактози одержують й інші продукти переробки молока: сметану, йогурт, сир і т.д. Властивості кінцевого продукту залежать від характеру й інтенсивності реакцій ферментації. Ті реакції, які супроводжують утворення молочної кислоти, визначають особливі властивості продуктів. Наприклад, вторинні реакції ферментації, що відбуваються при дозріванні твердих сирів, визначають смак окремих їхніх сортів. У таких реакціях беруть участь пептиди, амінокислоти й жирні кислоти, що знаходяться у молоці.

Всі технологічні процеси виробництва продуктів з молока діляться на дві частини: 1) первинна переробка – знищення побічної мікрофлори; 2) вторинна переробка. Первинна переробка молока містить у собі кілька етапів. Спочатку молоко очищається від механічних домішок і прохолоджується, щоб уповільнити розвиток природної мікрофлори. Потім молоко сепарується (при виробництві вершків) або гомогенізується. Після цього провадять пастеризацію молока, при цьому температура піднімається до 80С, і воно накачується в танки або ферментери. Вторинна переробка молока може йти двома шляхами: з використанням мікроорганізмів і з використанням ферментів. При використанні мікроорганізмів випускають кефір, сметану, сир, кисляк, казеїн, молочнокислий сир, біофруктолакт, біолакт, з використанням ферментів – харчовий гідролізат казеїну, суху молочну суміш для коктейлів і т.д. При внесенні мікроорганізмів у молоко лактоза гідролізується до глюкози й галактози, глюкоза перетворюється в молочну кислоту, кислотність молока підвищується, і при рН 4 – 6 казеїн коагулює.

Молочнокисле бродіння буває гомоферментативним і гетероферментативним. При гомоферментативному бродінні основним продуктом є молочна кислота. При гетероферментативному бродінні утворюється діацетил (надає смак вершковому маслу), спирти, ефіри, леткі жирні кислоти. Одночасно відбуваються протеолітичні й ліполітичні процеси, які перетворють білки молока у більш доступні форми й збагачують додатковими смаковими речовинами.

Для процесів ферментації молока використовуються чисті культури мікроорганізмів, які називаються заквасками. Виключення становлять закваски для кефірів, які представляють природний симбіоз декількох видів молочнокислих грибків і молочнокислих бактерій. Цей симбіоз у лабораторних умовах відтворити не вдалося, тому підтримується культура, виділена із природних джерел. При підборі культур для заквасок дотримуються наступних вимог: – склад заквасок залежить від кінцевого продукту (наприклад, для одержання ацидофіліну використовується ацидофільна паличка, для виробництва кисляку – молочнокислі стрептококи); – штами повинні відповідати певним смаковим вимогам; – продукти повинні мати відповідну консистенцію; – певна активність кислотоутворення; – фагорезистентність штамів (стійкість до бактеріофагів); – здатність до синерезису (властивості згустку віддавати вологу); – утворення ароматичних речовин; – сполучуваність штамів (без антагонізму між культурами); – наявність антибіотичних властивостей, тобто бактеріостатична дія стосовно патогенних мікроорганізмів; – стійкість до висушування.

Культури для заквасок виділяються із природних джерел, після чого проводиться спрямований мутагенез і добір штамів, що відповідають перерахованим вище вимогам. Біотехнології на основі молока включають, як правило, всі основні стадії біотехнологічного виробництва, які можна розглянути на прикладі сироваріння.

Виробництво сиру, або сироваріння (сироваріння) – один з найдавніших процесів, основаних на ферментації. Сири бувають найрізноманітніші – від м'яких до твердих. М'які сири містять багато води, 50 – 60%, а тверді – мало, 13 – 34%. На першому етапі йде підготовка молока (первинна обробка). На другому – готується культура молочнокислих бактерій. Мікроорганізми підбираються в певній пропорції, для забезпечення найкращої якості. Набір бактерій також залежить від температури термообробки. Третя стадія – стадія ферментації, – у сироварінні в деяких випадках відбувається в 2 етапи, до й після стадії виділення. Спочатку молоко інокулюють певними штамами мікроорганізмів, що призводить до утворення молочної кислоти, а також додають сичуговий фермент ренін. Ренін прискорює перетворення рідкого молока в згусток у кілька разів. Ця реакція активується молочною кислотою, яка синтезується бактеріями. Функції реніну можуть виконувати й інші протеїнази, але ренін також бере участь у процесах протеолізу, що відбуваються в сирі при дозріванні. Після утворення згустку сироватку відокремлюють, а отриману творожисту масу піддають термообробці й пресують у формах. Далі згусток солять і ставлять на дозрівання. Іноді отримана маса піддається додатковій обробці, яка полягає в наступному: зараження спорами блакитних цвілевих грибів при виробництві рокфору; нанесення на поверхню спор білих цвілевих грибів при виробництві камамберу й брі; нанесення бактерій, необхідних для дозрівання деяких сирів. Деякі сири після виділення повинні піддатися подальшій ферментації (стадія дозрівання). Мікроорганізми й ферменти в ході цього процесу гідролізують жири, білки й деякі інші речовини молодого сиру. У результаті їхнього розпаду утворюються речовини, що надають сирам характерний смак.

Процеси ферментації при виробництві багатьох молочних продуктів, таких як сметана, кисломолочний сир здійснюються у ферментерах відкритого типу. Як правило, вони займають небагато часу. До одного з найпростіших відносять виробництво кефіру, простокваш, сметани й масла. Наприклад, при виробництві сметани до вершків додають 0,5 – 1% закваски, яка використовується при виробництві масла. Далі продукт витримують, поки концентрація кислоти не досягне 0,6%. На закінчення хотілося б додати, що процеси одержання молочнокислих продуктів досить прості й доступні для відтворення в домашніх умовах. Вони не вимагають суворих умов дотримання стерильності, протікають, як правило, при кімнатній або дещо підвищеній температурі. Природньо, що споконвічно вони були одними з перших "домашніх" біотехнологій, які були пізніше поставлені на промислову основу.

Лекція № 2. Основні типи біотехнологічних процесів

1. Виробництво біомаси.

2. Одержання спиртів і поліолів.

3. Виробництво вторинних метаболітів.

4. Мікробні біотрансформації.

5. Виробництво ферментів.

6. Амінокислоти, органічні кислоти, вітаміни й інші біопродукти.

7. Біоконверсія лігноцелюлозних відходів.

Виробництво біомаси

У наш час існують такі основні типи біопроцесів:

– виробництво біомаси (наприклад, білок одноклітинних);

– клітинних компонентів (ферменти, нуклеїнові кислоти й т.д.)

– метаболітів (хімічні продукти метаболічної активності), включаючи первинні метаболіти, такі як етанол, молочна кислота;

– вторинні метаболіти;

– односубстратні конверсії (перетворення глюкози у фруктозу);

– багатосубстратні конверсії (обробка стічних вод, утилізація лігноцелюлозних відходів).

Людина традиційно одержує білки, жири й вуглеводи (основні компоненти їжі) із тваринних і рослинних джерел. Уже сьогодні ці джерела не покривають всі потреби людства. З'ясувалося, що білки й жири мікроорганізмів з успіхом можуть замінити білки й жири традиційного походження. Переваги мікроорганізмів як продуцентів білка заключаються у високому вмісті білка в біомасі й високій швидкості росту мікроорганізмів.

Термін білок одноклітинних (БОК) був запропонований у 1966 р. для позначення біомаси різних мікроорганізмів (бактерій, дріжджів, грибів і водоростей). Крім високого вмісту білка мікробна біомаса містить також жири, нуклеїнові кислоти, вітаміни й мінеральні компоненти. Джерелами одержання харчового білка можуть бути також білкові ізоляти з різних видів зеленої біомаси, у тому числі й з тютюну.

Для одержання БОК використовують найрізноманітніші субстрати, включаючи алкани нафти, метан, водень, метанол, етанол, оцтову кислоту, вуглекислий газ, молочну сироватку, мелясу, крохмаль і целюлозовмісні відходи промисловості й сільського господарства.

Для промислового використання перспективними є термофільні (ростуть при високих температурах до 50 С) мікроорганізми. Якість біомаси оцінюється за високим вмістом білка, низьким вмістом нуклеїнових кислот і відсутністю шкідливих речовин.

Як приклад промислового виробництва біомаси можна привести одержання хлібопекарських дріжджів. У виробництві хлібопекарських дріжджів використовують спеціально відібрані раси Saccharomyces cerevisiae. При доборі культури за основу приймають здатність дріжджів зброджувати тісто, вони повинні мати гарну піднімальну силу й ферментативну активність, добре рости на мелясному середовищі в умовах глибинної ферментації й давати високий вихід біомаси. Клітини дріжджів повинні легко відокремлюватися від культуральної рідини сепаруванням або фільтрацією й добре зберігатися в пресованому виді. Піднімальну силу дріжджів виражають у хвилинах, протягом яких певна кількість дріжджів розвиваючись у певній кількості тіста, збільшує його обсяг на передбачену стандартом величину. Для гарних дріжджів піднімальна сила не повинна перевищувати 75 хв.

Хлібопекарські дріжджі володіють і бродильною активністю, але щоб направити використання вуглеводів субстрату тільки на утворення біомаси, спиртове бродіння обмежують всіма доступними методами. Це досягається інтенсивною аерацією середовища, а також підтримкою низької концентрації цукру в ньому (0,5 – 1,5%). При високій концентрації цукру спостерігається катаболітна репресія ферментів циклу Кребса й перемикання енергетичного метаболізму переважно на бродіння. Щоб уникнути цього, цукор у середовище подають безупинно з постійною або зростаючою швидкістю. Щоб запобігти надмірному розмноженню побічної мікрофлори, особливо так званих диких дріжджів, питома швидкість росту яких вища, ніж у хлібопекарських дріжджів, процес ферментації ведуть за періодичною схемою протягом 10 – 20 год.

Товарні дріжджі одержують у три етапи. Спочатку розмножують перший посівний матеріал (завдаткові дріжджі), потім другі завдаткові дріжджі й з них одержують товарні дріжджі. Одержання перших завдаткових дріжджів відбувається без додаткового додавання середовища; тривалість процесу 6 – 7 год. На другому етапі прагнуть повністю виключити спиртове бродіння, тому дріжджі вирощують в умовах дуже інтенсивної аерації, лімітуючи концентрацію цукру в середовищі, за проточним методом культивування. Найчастіше тривалість цього етапу 10 – 12 год. Останній етап виробництва товарних дріжджів триває 10 – 24 год. Біомасу дріжджів відокремлюють від культуральної рідини, використовуючи сепарування, у три етапи, при дворазовому промиванні суспензії клітин водою для видалення залишків середовища, бактерій і домішок. Одержують концентрат дріжджів, який містить 80 – 120 г/л сухої біомаси. Його прохолоджують до 8 – 10°С, фільтрують на вакуум-фільтрах або фільтр-пресах й одержують дріжджову пасту з 70 – 75%-ною вологістю. Після кондиціонування пасти водою до стандартної (75%) вологості, дріжджі фасують у плитки масою 50, 100, 500, 1000 г й упаковують. Зберігають пресовані дріжджі при температурі 0 – 4°С до 10 діб. Хлібопекарські дріжджі можна висушувати при температурі 30 – 40°С до вологості 8% і зберігати до 6 місяців.

Кормові дріжджі одержують за допомогою мікроорганізмів виду Candida й Trichosporon. Вибираючи культуру, потрібно стежити, щоб швидкість її росту у відповідному середовищі була максимальною, до складу біомаси входило б багато білків, вітамінів, щоб культура в певних умовах була вірулентною (могла конкурувати із супутньою мікрофлорою). Кормові дріжджі одержують із доступної, дешевої, карбонвмісної сировини: вуглеводвмісна сировина (гідролізати деревних і сільськогосподарських відходів, меляса, сульфітний луг целюлозної промисловості); природні й синтетичні субстрати, які містять органічні кислоти, спирти й інші окислені сполуки карбону (відходи спиртової промисловості, відходи виробництва синтетичних миючих засобів й ін.); вуглеводні (нафта, алкани, природний газ).

При виробництві кормового білка не потрібне одержання життєздатної мікробної маси, тому вимоги при виділенні клітин більш прості.

Жива біомаса молочнокислих бактерій, які широко використовується в молочній промисловості, у харчовій промисловості, у сільському господарстві й у ветеринарії, називається молочнокисла закваска. Окрім цього, живі клітини мікроорганізмів використовуються для одержання бактеріальних добрив, мікробних інсектицидів.