Вступ
За оцінками фахівців, біля 80 % харчових виробництв так або інакше пов'язані з використанням мікробіологічних процесів. У багатьох виробництвах вони використовуються ще з давнини. Так давньою біотехнологією є виноробство, пивоваріння, хлібопекарство, виробництво сирів і кисломолочних продуктів і так далі. Відбір і вдосконалення цих виробництв здійснювалися протягом тисячоліть. У цей час за допомогою мікроорганізмів виробляють кормові білки, ферменти, вітаміни, амінокислоти і антибіотики, органічні кислоти, ліпіди, гормони, препарати для сільського господарства та інше.
На сучасному етапі розвитку біотехнологій спостерігається як подальша модернізація традиційних біотехнологій, так і розробка нових. Основними напрямами модернізації є застосування біотехнологій для інтенсифікації виробництва, для зменшення негативного впливу жорстких режимів, для поліпшення якості, для поліпшення споживчих властивостей продукції.
Більшість традиційних і нової біотехнологій засновані на використанні процесів бродіння, гідролізу і синтезу. Особливо широке поширення отримали бродильні виробництва: виробництво етилового спирту, плодово-ягідних вин, пивоваріння, хлібопекарські і інші виробництва.
Бродіння - це анаеробний (що відбувається без участі кисня) метаболічний розпад молекул живильних речовин, наприклад глюкоза. По вираженню Луї Пастера, «бродіння - це життя без кисня». Більшість типів бродіння здійснюють мікроорганізми - анаероби.
Розіл 1. Основні групи мікроорганізмів, що використовуються в харчовій промисловості
Основні групи мікроорганізмів, що використовуються в галузях харчової промисловості - бактерії, дріжджі і плісняви.
1.1 Бактерії
Бактерії. Використовують як збудники молочнокислого, оцтовокислого, маслянокислого бродіння.
Культурні молочнокислі бактерії використовують при отриманні молочної кислоти, в хлебопекарській промисловості, при виробництві кисломолочних продуктів, іноді в спиртовому виробництві. Молочнокислі мікроорганізми можуть викликати два типи бродіння:
- гомоферментативное бродіння ;
- при розкладанні вуглеводів (лактози) утвор.ється зазвичай молочна кислота і гетероферментативна ;
- крім молочної кислоти утворяться інші речовини (диацетил, ацетоїн, ароматоутворювач, СО2, летючі жирні кислоти, спирт та інше).
В молочній промисловості використовують наступні види мікроорганізмів, що безпосередньо беруть участь в формуванні складу і властивостей (якості) молочної продукції: молочнокислі коки і палички, а також специфічну мікрофлору окремих видів молочних продуктів - біфідобактерії, оцтовокислі бактерії кефірного грибка, пропіоновокислі бактерії.
Лактококки входять до складу заквасок для кисломолочних проуктів: сметани, сиру, кислосливочного масла та інше.
Термобактерії використовуються при виробництві йогурту, кислого молока. Мечникова (болгарська) паличка; оскільки ацидофільна паличка, здатна приживаться в кишечнику і пригнічувати розвиток гнилісних бактерій, її використовують для виробництва ацидофільних напоїв з лікувально-профілактичною дією.
Біфідобактерії випускають у вигляді бакконцентратів (наприклад, біфідумбактерин) і включають в кисломолочні продукти. Проблема полягає в тому, що біфідобактерії погано розвиваються в молоці (еволюційно не пристосовані до цього середовища). Для стимулювання зростання їх вносять разом з іншими молочнокислими мікроорганізмами (біфідок, ацидобіфідин), використовують спеціальні штами, пристосовані до зростання в молоці або додають біфідогенні чинники зростання (екстракти дріжджів, картоплі, сої, гідролізати казеїну, деякі мінеральні солі)
Пропіоновокислие бактерії - використовуються в сирному виробництві.
1.2 Дріжджі
Дріжджі. Широко застосовуються як збуджувачі бродіння при виробництві спирту і пива, у винарстві, при виробництві хлібного квасу, а також в хлебопакарському виробництві для розпушення тіста і в складі кефірного грибка - для виробництва кефіру, кумису і айрана.
Для харчових виробництв мають значення дріжджі:
- спороутворюючі дріжджі (сахароміцети) і неспороутворюючі або незавершені дріжджі;
- несахароміцети (дріжжоподібні гриби).
У кожній галузі застосовуються певні види дріжджів. Розрізнюють дріжджі пилоподібні і пухкі. У перших протягом всього періоду життєдіяльності клітки ізольовані один від одного, а в других клітки склеюються між собою, утворюючи пластівці, і швидко осідають.
Культурні дріжджі відносять до сімейства сахароміцетів S.cerevisiae. Температурний оптимум для розмноження дріжджів знаходиться в межах від 25 °С до 30 °С, а мінімальна температура біля 3 °С. При 40 °С зростання припиняється і дріжджі відмирають, але низькі температури дріжджі переносять добре, хоч розмноження їх припиняється.
Розрізнюють дріжджі поверхнвого і нижнього бродіння.
Дріжджі поверхневогового бродіння в стадії інтенсивного бродіння виділяються на поверхні зброджуваного середовища у вигляді досить товстого шара піни і залишаються в такому стані до закінчення бродіння. Потім вони осідають, але не дають щільного осадка. Ці дріжджі відносяться до пилоподібних дріжджів і не склеюються один з одним на відміну від пухких дріжджів нижнього бродіння, оболонки яких є клейкими, що приводить до злипання і швидкого осадження клітин.
Дріжджі краще розвиваються в кислому середовищі при рН від 4 до 6 і витримують до 17 % спирту в розчині. Дріжджі поверхневого бродіння (Saccharomyces cerevisiae) знаходяться у верхніх шарах сусла, куди вони підіймаються вуглецем, що утворюється діоксидом і піною. Бродіння йде з незначним підвищенням температури від 20 °С до 28 °С. Незадовго кінця бродіння дріжджі утворять пластівці і осідають на дно бродильних ємкостей. Через 5-7 днів поверхневе бродіння закінчується.
Дріжджі нижнього бродіння (Saccharomyces vini) розвиваються в анаеробних умовах і при більш низькій температурі від 6 °С до 12 °С, тому процес протікає повільно від 8 до 10 днів. Дріжджі невдовзі осідають на дно і утворюють пухкий осад
1.3 Зигоміцети
Зигоміцети. Раніше зигоміцети називали пліснявими грибами. Вони грають велику роль як продуценти ферментів. Гриби роду Aspergillus прдуктують амілолітичні, протеолітичні, пектолітичні і інші ферменти, які використовують в спиртовій промисловості замість солоду для засахарення крохмалю, в пивоварній - при частковій заміні солоду несоложеним зерном і так далі.
У виробництві лимонної кислоти А.niger є збуджувачем лимоннокислого бродіння.
У молочній промисловості використовую плісняві роду Penicillium в сированінні при виробництві сирів комамбер і рокфор.
Розділ 2. Бродіння
Бродіння - процес анаеробного розщеплення органічних речовин, переважно вуглеводів, що відбувається під впливом мікроорганізмів або виділених з них ферментів. У ході бродіння внаслідок зв'язаних окислювально-відновних реакцій звільняється енергія, необхідна для життєдіяльності мікроорганізмів, і утворяться хімічні сполуки, які мікроорганізми використовують для біосинтезу амінокислот, білків, органічних кислот, жирів і інші компонентів тіла. Одночасно нагромаджуються кінцеві продукти бродіння. У залежності від їх характеру розрізнюють бродіння спиртове, молочнокислое, маслянокислое, пропіоновокисле, і інші види.
2.1 Спиртове бродіння
В 1836 р. французький вчений Каньяр де ла Тур встановив, що спиртове бродіння пов'язане із зростанням і розмноженням дріжджів. Хімічне рівняння спиртового бродіння було дано французькими хіміками А. Лавуазье (1789 р.) і Ж. Гей-Люссаком (1815 р.). Л. Пастер прийшов до висновку (1857 р.), що спиртове бродіння можуть викликати тільки живі дріжджі в анаеробних умовах. У противагу цьому німецький вчений Ю. Лібіх наполегливо наполягав на тому, що бродіння відбувається поза живою кліткою. На можливість безклітнного спиртового бродіння уперше (1871 р.) указала російський лікар-біохімік М. М. Манассеїна. Німецький хімік Е. Бухнер в 1897, віджавши під великим тиском дріжджі, розтертоми з кварцовим піском, отримав безклітинний сік, зброджуючий цукор з утворенням спирту і CO2. При нагріванні до 50 °С і вище сік втрачав бродильні властивості. Все це вказувало на ферментативную природу активного початку, що міститься в дріжджовому соку. Російський хімік Л. А. Іванов виявив (1905 р.), що додані до дріжджового соку фосфати в декілька разів підвищують швидкість бродіння. Цей вигляд бродіння має найбільше свльськогосподарське значення.
Спиртовим бродінням є процес розкладання цукру на спирт і вуглекислий газ. Воно протікає під дією мікроорганізмів у вигляді наступної реакції:
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + 27 ккал
Крім етилового спирту і вуглекислого газу, при цьому виходять також побічні продукти: оцтовий альдегід, гліцерин, сивушні масла, оцтова і янтарна кислоти і інші.
Спиртове бродіння вуглеводів викликається дріжджами, окремими представниками мукорових грибів і деякими бактеріями. Однак гриби і бактерії виробляють спирту значно менше, ніж дріжджі.
Дріжджі в залежності від умов бродіння утворять різні кількості продуктів бродіння, серед них можуть переважати або етиловий спирт і вуглекислий газ, або гліцерин і оцтова кислота.
Бродіння залежить не тільки від умов, в яких воно протікає, але також від вигляду і видів дріжджів, що застосовуються. До числа цих умов відносяться концентрація цукру, кислотність середовища, температура і кількість спирту, що накопичився.
Найбільш сприятлива концентрація цукру в зброджувальний субстрат для більшості дріжджів складає біля 15 %, при більш високих концентраціях бродіння сповільнюється, а потім припиняється зовсім. Однак деякі дріжджі можуть спричиняти бродіння і при вмісті в середі цукру понад 60 %. При концентрації цукру в субстрат в кількості менше за 10 % бродіння протікає дуже мляво.
Нормальною для спиртового бродіння є кисле середовище з рН рівним 4 або 4,5.
У лужному середовищі бродіння протікає з утворенням гліцерину і оцтової кислоти.
Найкраща температура бродіння знаходиться в межах від 28 °С до 32 °С. При більш високих температурах бродіння сповільнюється, а при 50 °С воно припиняється. Пониження температури знижує енергію бродіння, хоч повністю воно не зупиняється навіть при 0 ° Дріжджі, зухвалі таке бродіння, називаються поверхневими дріжджами. Після закінчення бродіння вони осідають на дно бродильних судин.
Нижнє бродіння, що викликається низовими дріжджами, йде значно спокійніше, з утворенням невеликої кількості піни. Вуглекислий газ виділяється поступово і дріжджі залишаються в нижньому шарі зброджуваного субстрату.
Поверхневі дріжджі застосовують для отримання спирту і пекарських дріжджів, низові - для виробництва вина і пива. Для отримання вина і пива іноді використовують і поверхневі дріжджі.
Що утворюється в процесі бродіння (спирт) надає шкідливий вплив на дріжджі. При накопиченні в субстраті спирту більше за 16 % до об'єму самого субстрату бродіння припиняється, а пригноблююча дія спирту, що утворився починає виявлятися вже при концентрації від 2 до 5 %. Деякі ж види навмисно привчених дріжджів здатні витримувати вельми високі концентрації спирту - до 25 %.
Спиртове бродіння нормально протікає в анаеробних умовах, що створюються в процесі самого бродіння. Але оскільки дріжджі є факультативними анаеробами, вони можуть розкладати цукор і в аеробний умовах з утворенням вуглекислого газу і води. Помічено, що в умовах хорошої аерації дріжджі посилено розмножуються. Тому при виробництві пекарських дріжджів субстрат, що бродить продувають повітрям.
Для промислового отримання спирту як сировина використовують крахмаловмісні продукти - картопля, зернові культури, а також відходи цукрового виробництва. У зв'язку з тим, що дріжджі не здатні зброджувати крохмаль, його заздалегідь засахарюють за допомогою солоду, вмісного фермент амілазу. Солод отримують з пророслих зерен ячменю. У цей час для засахарення застосовують також грибний солод (гриби роду аспергиллус), який в багатьох відносинах є вигідніше ячмінного солоду. Внаслідок засахарення крохмаля утворюються дисахарид мальтоза - солодовий цукор.
У середовище культурних дріжджів, які застосовуються у виробництві, можуть попасти сторонні мікроорганізми, зухвалі псування продуктів. Так, дикі дріжджі нерідко є шкідниками виробництва вина і пива. Вони змінюють смак і запах цих продуктів, викликають їх помутніння. Особливо небезпечні плівчасті дріжджі мікодерма. Розвиваючись у вині і пиві, вони окисляють спирт до вуглекислоти і води і додають напоям неприємний смак.
Мікодерма заподіює шкоду також при виробництві пекарських дріжджів. Процес отримання пекарських дріжджів ведуть з продуттям субстрату повітрям, оскільки це сприяє їх швидкому розмноженню. Мікодерма в таких умовах розвивається швидше, ніж справжні дріжджі. Оскільки мікодерма не володіє здатністю підіймати тісто, то присутність її в культурних дріжджах різко знижує їх пекарські властивості.
2.2 Молочнокисле бродіння
Молочнокислі бактерії поділяють на 2 групи:
- гомоферментативні і гетероферментативні.
Гомоферментативні бактерії (наприклад, Lactobacillus delbrьckii) розщеплюють моносахариди з утворенням двох молекул молочної кислоти відповідно до сумарного рівняння:
C6H12O6 = 2CH3CHOH-COOH
Гетероферментативні бактерії (наприклад, Bacterium lactis aerogenes) проводять зброджуання з утворенням молочної кислоти, оцтової кислоти, етилового спирту і CO2, а також утворять невелику кількість ароматичних речовин - диацетилу, ефірів і так далі.
Молочнокисле бродіння являє собою розкладання цукру під дією молочнокислих бактерій з утворенням молочної кислоти. У загальному сумарному вигляді його можна представити наступним рівнянням:
С6Н12О6 = 2С3Н6О3 + 18 ккал.
Це бродіння часто спостерігається в молоці і спричиняє його скисання. Звідси і отримали свою назву вигляд бродіння, бактерії, а також основний продукт бродіння - кислота. Молочнокислі бактерії бувають кулястої і палочкоподібної форми. Вони нерухомі, спор не утворять і є факультативними анаеробами.
Різні види молочнокислих бактерій в рівних умовах утвоюють різну кількість кислоти, що пояснюється їх неоднаковою кислотостійкістю. Палочкоподібні бактерії утворять більше кислоти, ніж кулясті (коки).
Молочнокислі бактерії здатні зброджувати тільки моно- і дисахариди і зовсім не зброджують крохмаль і інші полісахариди, оскільки не виділяють відповідних ферментів.
Деякі з цих бактерій виробляють антибиотичні речовини, діючі проти збуджувачів кишкових захворювань.
Найбільше значення мають наступні молочнокислі бактерії: молочнокислий стрептокок, болгарська, ацидофільна, сирна, дельбрюковская, огіркова, капустяна палички і інші.
Молочнокислий стрептокок - сполучений попарно або в короткі ланцюжки кулястих бактерій. Найкраще розвиваються при температурі від 30 °С до 35 °С, їх температурний мінімум біля 10 °С. Прі бродінні накопичують до 1 % кислоти. Широко застосовуються для приготування молочнокислих продуктів (кислого молока, кефіру, сметани, сиру).
Болгарська паличка нерідко утворює довгі ланцюжки, виділена з болгарського кислого молока. Являє собою нерухому, безспорову паличку. Найкраща для її розвитку температура від 40 °С до 45 °С, температурний мінімум 20 °С. В молоці утворить до 3,5 % молочної кислоти.
Ацидофільна паличка отримана з виділень кишечника немовляти. Має температурний оптимум біля 40 °С, мінімальна температура розвитку 20 °С. В молоці накопичує до 2,2 % молочної кислоти. Застосовується для приготування молочнокислих продуктів - ацидофільна і ацидофІльного молока.
При отриманні молочнокислих продуктів (кислого молока, кефіру, ацидофіліна) у виробничих умовах молоко заздалегідь піддають пастеризації, а потім заквашують спеціальними заквасками, вмісними культурами молочнокислих бактерій. Це дає можливість отримувати молочнокислі продукти певної і високої якості.
Молочнокисле бродіння в хлібопекарстві дозволяє запобігти розвитку шкідливих бактерій в тісті, зупиняє картопляну хворобу (тягучість) хліба, а також сприяє поліпшенню смакових властивостей хліба.
При промисловому отриманні молочної кислоти в якості сировина використовує крохмаль, патоку і інші цукристі матеріали. Молочну кислоту застосовують в кондитерському виробництві і у виробництві безалкогольних напоїв.
2.3 Маслянокисле бродіння
При маслянокислом бродінні відбувається процес розкладання цукру під дією бактерій в анаеробних умовах з утворенням масляної кислоти, вуглекислого газу і водня. Воно протікає по рівнянню:
С6Н12О6 = С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2 + 20 ккал
Як побічні продукти при цьому виходять етиловий і бутиловий спирти, оцтова кислота і інші. Таке бродіння може протікати в молоці і молочних продуктах, додаючи їм неприємні смак і запах, характерний для масляної кислоти. Маслянокислі бактерії, являють собою перитрихіальні жгутоваті жваві, спороутворюючі палички, температурний оптимум їх розвитку знаходиться в межах від 30 °С до 40 °С. Воні є суворими анаеробами і можуть розмножуватися тільки при повній відсутності кисня або при дуже незначному його змісті. Спори, що утворюються маслянокислими бактеріями, вельми стійкі до несприятливих впливів, витримують кип'ятіння протягом декількох хвилин і гинуть тільки при тривалій стерилізації. Маслянокислі бактерії здатні зброджувати як простий цукор, так і більш складні вуглеводи - крохмаль, пектинові речовини та інші, а також гліцерин. Ці бактерії широко поширені в природі, знаходячись в грунті, в мулові озер, ставків і боліт, в скупченнях різних залишків, гної, забрудненої води, молоці, сирі і так далі. Бродіння, що викликається цими бактеріями має важливе значення в перетвореннях речовин в природі.
У народному господарстві маслянокисле бродіння може принести велику шкоду, оскільки маслянокислі бактерії здатні викликати масову загибель картоплі і овочів, гіркоту молока і вспучення сирів, псування консервів і так далі.
2.4 Пропіоновокисле бродіння
Пропіоновокислоє бродіння являє собою процес перетворення цукру або молочної кислоти в пропвонову і оцтову кислоти з утворенням вуглекислоти і води:
3C6H12О6 = 4С2Н5СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2H2O
Бродіння викликається пропіоновокислими бактеріями. Це короткі, нерухомі, безспорові анаеробні палички, оптимальна температура розвитку яких біля 30 °С. Пропіоновокислі бактерії близькі до молочнокислим бактерій і нерідко розвиваються разом з ними.
Потрібно відмітити, що пропіоновокислому бродінню можуть зазнавати не тільки молочна кислота, але і її солі. Це бродіння має важливе значення в дозріванні сирів. Молочна кислота (вірніше, її кальцієва сіль), що утворюється внаслідок життєдіяльності молочнокислих бактерій, під впливом пропіоновокислих бактерій перетворюється в пропіоновую кислоту, оцтову кислоту і вуглекислий газ. Виділення вуглекислоти приводить до утворення очок в сирі, що додають йому характерний ніздрюватий малюнок. Пропіонова і оцтова кислоти сприяють утворенню специфічного сирного смаку і запаху.
Пропіоновокислі бактерії використовуються також для отримання вітаміну B12.
2.5 Лімоннокисле бродіння
При лимоннокислом бродінні цукор під впливом грибів окислюється в лимонну кислоту. Цю кислоту раніше отримували з соку цитрусових - лимонів і апельсинів. У цей час її виготовляють в основному шляхом бродіння. Як збуджувач лимоннокислого бродіння застосовується гриб асспергиллус нигер.
Сировиною для виробництва лимонної кислоти служить сахаровмісний продукт - меляса. Мелассний розчин, що включає біля 15 % цукру і необхідний грибу живлячі речовини, розливають в плоскі відкриті посудині і засівають спорами гриба. Посудини вміщують в бродильні камери, які добре провітрюють. Процес бродіння продовжується від 6 до 8 днів при температурі біля 30 ° При цьому гриб знаходиться не на поверхні зброджувального субстрату, а впроваджується своїм мицелиєм в товщу субстрату, який енергійно насичують повітрям. Такий спосіб прискорює процес накопичення лимонної кислоти в зброджувльному субстраті.
Лимонна кислота знаходить широке практичне застосування, вона використовується, наприклад, при виготовленні кондитерських і кулінарних виробів, безалкогольних напоїв.
Висновок
З часів глибокої давнини люди були знайомі з багатьма процесами лежачими в основі багатьох виробництв. Саме давнє виробництво - збродження за допомогою мікроорганізмів.
Мікробіологічні процеси широко застосовують в різних галузях народного господарства. У основі багатьох процесів лежать реакції обміну речовин, що відбуваються при зростанні і розмноженні деяких мікроорганізмів. Ми вже не можемо уявити свого життя без цих процесів.
Однак мікроорганізми в харчовій промисловості грають двояку роль. З одного боку, це культурні мікроорганізми, з іншою - в харчові виробництва попадає інфекція, тобто сторонні (дикі) мікроорганізми. Дикі мікроорганізми поширені в природі (на ягодах, плодах, в повітрі, воді, грунті) і з навколишнього середовища попадають у виробництво.
Для дотримання правильного санітарно-гігієнічного режиму на харчових підприємствах ефективним способом знищення і придушення розвитку сторонніх мікроорганізмів є дезинфекція.
Список використаних джерел
Жарікова Г. Г. Мікробіология продовольчих товарів. Санітарія і гігієна - М.:ACADEMA, 2005 - 296 з.
Никитина, Олена Володимирівна. Мікробіологія: підручник для студ. вузів / Е. В Нікитіна, С. Н. Киямова, О. А. Решетник. - СПб.: ГИОРД, 2008. – 368с.
Пирог Т.П., Пенчук Ю.М. Біохімічні основи мікробного синтезу: підручник – К.: Видавництво Ліра-К, 2019. – 258 с.
Харчова біотехнологія: підручник / Т.П. Пирог, М.М. Антонюк, О.І. Скроцька, Н.Ф.Кігель. – К.: Вид. Ліра-К, 2016. − 426 с.
Грегірчак Н.М. Мікробіологія харчових виробництв: Лаборатор. практикум. - К.: НУХТ, 2009. - 302 с.