close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

4352 ivanova l. a. voyno l. i. ivanova i. s pishevaya biotehnologiya

код для вставкиСкачать
УЧЕБНИК
Иванова
Воино
Иванова
И
г л/
•БИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ
ЗАВЕДЕНИЙ
Л. А. ИВАНОВА,
Л. И. ВОЙНО, И. С. ИВАНОВА
ПИЩЕВАЯ
БИОТЕХНОЛОГИЯ
Книга 2
ПЕРЕРАБОТКА
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Под редакцией доктора биологических наук,
профессора И. М. Грачевой
Рекомендовано Учебно-методическим объединением
по образованию в области технологии сырья и продук­
тов животного происхождения в качестве учебного
пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 240902 «Пищевая
биотехнология»
МОСКВА «КолосС» 2008
УДК 664(075.8)
ББК 36-1я73
И20
Р е д а к т о р И.А.Фролова
Р е ц е н з е н т ы : доктор технических наук, профессор Л. В. Римарева (ГНУ
ВНИИПБТ); кандидат биологических наук, доцент А. А. Ванькова и доктор сель­
скохозяйственных наук, профессор О. Д. Сидоренко (РГАУ—МСХА)
Иванова Л. А., Войно Л. И ., Иванова И. С.
И20
Пищевая биотехнология. Кн. 2. Переработка раститель­
ного сырья / Под ред. И. М. Грачевой. — М.: КолосС, 2008.
472 с.: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш
учеб. заведений).
15ВИ 978-5-9532-0489 7 (Кн. 2)
18ВЫ 978—5—9532—0103 2
Обобщены наиболее значимые достижения в области создания пищевых
биотехнологий, используемых в нашей стране и за рубежом при переработке
растительного сырья. Рассмотрены цели и задачи общей и пищевой биотех­
нологии, агенты, субстраты и методы биотехнологии, основы биотехнологи­
ческих процессов. Приведены общие сведения о ферментных препаратах и
возможностях их использования в различных отраслях пищевой промыш­
ленности. Особое внимание уделено технологии и использованию добавок
пищевых и биологически активных веществ, полученных биотехнологичес­
кими методами, в производстве современных продуктов питания, а также
технологическим особенностям переработки разнообразного растительного
сырья с применением микроорганизмов и продуктов их метаболизма.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Пищевая био­
технология^.
■
УДК 664(075.8)
ББК 36-1я73
рНС.Торайгыров
агыида*ы ИЙГОЛРТ1Р
ю Людмила Ильинична,
рина Сергеевна
18ВЫ 978-5-9532*0489-7
ология
ОГО СЫРЬЯ
9
Учебное пособие для вузов
785953 204897
ггвенный редактор В. А. Чуракова. Компьютерная верстка Н. Н. Лег
Компьютерная графика М. В. Кончаковой. Корректор Т. Д. Мирлис.
в набор 10.01.07. Подписано р печать 22.10.07. Формат 6 0 х 8 8 ‘/ , 6. Бумага офсетная
Ньютон. Печать офсетная. Уел. печ. л. 28,91. Тираж 1500 экз. Изд. № 023. Заказ №
ООО «Издательство «КолосС», 101000, Москва, ул. Мясницкая, д. 17.
Почтовый адрес: 129090, Москва, Астраханский пер., д. 8.
Тел. (495) 680-99-86, тел./факс (495) 680-14-оЗ, с-шаИ: кою&@ко1ош.П1,
нашсайг: *г№У.ко1о88.ги
Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО ордена «Знак Почета»
«Смоленская областная типография им. В. И. Смирнова».
214000, г. Смоленск, проспект им. Ю. Гагарина, 2.
иы-макет книги является собственностью издательства «.Колос С», и его
дство в любом виде, включая электронный, без согласия издателя запоешено.
13ВИ 9 7 8 -5 -9 5 3 2 -0 4 8 9 -7 (Кн. 2)
151^ 9 7 8 -5 -9 5 3 2 -0 1 0 3 -2
§ Издательство «КолосС», 2008
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АС — амилолитическая способность (активность)
АСБ — абсолютно сухая биомасса
АСВ — абсолютно сухое вещество
Б и БМ — биомасса
БВК — белково-витаминный концентрат
ВГТА — Воронежская государственная технологическая академия
ВНИИПАКК — Всероссийский научно-исследовательский институт пи­
щевых ароматизаторов, кислот и красителей
ВНИИПБТ — Всероссийский научно-исследовательский институт пище­
вой биотехнологии
ГлА — глюкоамилазная способность (активность)
Р-ГлС — р-глюканазная способность (активность)
ГосНИИХП — Государственный научно-исследовательский институт
хлебопекарной промышленности
ЕА — единица активности фермента
ЖКС — желтая кровяная соль
КМЦ — карбоксиметилцеллюлоза
КС — ксиланазная способность (активность)
МГУПП — Московский государственный университет пищевых произ­
водств
МНИИЭМ им. Г. Н. Габричевского — Московский научно-исследователь­
ский институт эпидемиологии и микробиологии им. Г. Н. Габричевского
НАССР/ХАССП — Система анализа рисков и определения критических
контрольных точек
ИагЕОТА, РеЕОТА — соли этилендиаминтетрауксусной кислоты
НД — нормативная документация
ОК — оболочки клеток
ОС — осахаривающая способность (активность)
ПлС — пуллуланазная способность (активность)
ПС — протеолитическая способность (активность)
РВ — редуцирующие вещества
РХТУ им. Д. И. Менделеева — Российский химико-технологический
университет им. Д. И. Менделеева
СВ — сухие вещества
*Т — градус Тернера
ЦС — целлнеполитическая способность (активность)
эндо-ПГ — эндополигалактуроназа
эндо-ПМГ — эндополиметилгалактуроназа
Як
ПРЕДИСЛОВИЕ
Качество питания населения — один из важнейших факторов,
определяющих здоровье и сохранение генофонда нации. Правиль­
ное питание способствует профилактике заболеваний, увеличению
продолжительности жизни, созданию условий для повышения
способности организма противостоять неблагоприятным услови­
ям окружающей среды. Важнейшее условие обеспечения такого
питания — создание современной технологической базы для про­
изводства биологически полноценных продуктов.
В настоящее время в России, как и во всем мире, большое вни­
мание уделяется комбинаторике пищевых продуктов. Общеизвест­
но, что для повышения пищевой ценности и улучшения органо­
лептических показателей продуктов, а часто и для снижения их
себестоимости, производители все шире применяют вещества как
природного, так и синтетического, химического и микробиологи­
ческого происхождения, относимые к пищевым и биологически
активным добавкам.
В связи с этим назрела необходимость подготовки специалис­
тов нового поколения, которые владели бы не только особен­
ностями технологии пищевых продуктов, но и биотехнологиями
получения различных биологически активных веществ, были
глубоко информированы в области химии пищи, биохимии и
микробиологии. Это и есть «пищевая биотехнология» в современ­
ном представлении. Поэтому специалисты, овладевшие знаниями
об особенностях использования объектов, методов и продуктов
биотехнологии в различных отраслях пищевой промышленности,
безусловно, нужны на предприятиях пищевого профиля.
Общеизвестно, что в высокоразвитых странах мира биотех­
нология является приоритетным направлением науки, опреде­
ляющим прогресс в развитии общества. Помимо классической
биотехнологии в последние десятилетия серьезное внимание уде­
ляется развитию сельскохозяйственной и пищевой биотехноло­
гии, где особенно расширяется сфера приложения технологичес­
ких процессов, основанных на жизнедеятельности микроорганиз­
мов и продуктах их метаболизма. Однако до настоящего времени в
литературе отсутствует достаточно полное изложение основ и
принципов биотехнологии при переработке растительного сырья.
Данное учебное пособие ставит своей целью восполнить этот про­
бел, т. е. рассмотреть практические основы современной пищевой
биотехнологии. В целом пособие обобщает курс лекций, апроби­
рованных авторами при подготовке инженеров по специальности
240902 «Пищевая биотехнология» в Московском государственном
университете пищевых производств.
Материалы, содержащиеся в учебном пособии, призваны по­
мочь студентам разобраться в сложных вопросах, касающихся
возможностей живых систем в области конверсии различных био­
полимеров растительного сырья и синтеза биологически активных
веществ для пищевой промышленности.
Список литературы, использованной авторами при подготовке
настоящего пособия, значительно шире приведенного, в котором
указаны лишь основные доступные студентам издания.
Авторы выражают глубокую благодарность д.т.н., профессору
Л. В. Римаревойи д.т.н., профессору О. Д. Сидоренко, взявшим
на себя труд по рецензированию пособия.
Авторы пособия будут благодарны за все пожелания и крити­
ческие замечания.
ВВЕДЕНИЕ
П инг— йяя и ш и ш и — ю с ш к и ниаы! тгравмм, аю бвюш и а м в основе вспуш им пишес помощью в м м п я к ш ш иш • ш ц ю о р п с изготовлением
других продуктов.
Ч т и широким использованием • р и ш т и отраслях пищевой
промышленжхгги не только микрооргани шов, но и ферментных
препаратов, ш также добавок, пищевых и биологически активных
веществ; разработкой и совершенствованием биотехнодогических
способов переработки сырья а пищевые гфодукты и фермента­
ционных технологий, применением достижений молекулярной
и генной инженерии; созданием новых технологий получения
функциональных продуктов питания, рвуб ш ж ов биосенсоров и
жепресс-методов в в и в качества м ш н ы х продуктов, способов
утилизации и обезвреживания отходов предприятий пищевой и
• промышленности
щ&Щт,
Все гго саиле гельствует о том, что тшамаа биотехнологии яв­
ляется одним ю ведущих Iуправлений в развитии пищевой про­
мышленности и биоте*нологии во всем мире. С каждым годом
рветет объем и расширяется ассортимент продуктов питания, по­
лученных с использованием объектов, методов и продукции био­
технологии
тесная связь между продуктами питания и здоров»
ем человека Доказано, что пищевые продукты или их отдельные
компоненты могут быть единственной причиной многих патоло­
гий Современные биотехнологические подходы к нрои зводству
пишевых продуктов дают вошожность связать новейшие дости­
жения в массовом производстве пишевых продуктов с реальным
получением полноценной и здоровой пищи Тесная взаимосвязь
между м о р м и м и качеством пищевых продуктов о6у< повила воз­
никновение нового направления в производе гве пищевых продук*
тов - со здание функциональной пиши, ок&шваюшей пелена пряпленное влияние на организм
Использование функционалытой пищи позволяет достичь двух
ШянЛ. обеспечить организм в нужном количестве метаболически
необходимыми пищевыми компонентами и защитить его т воз
можных габолеваний Поскольку в производств новых нишевых
§
' • • •
продуктов используются только нетоксичные и непатогенные на­
туральные компоненты, возникает необходимость изыскания со­
ответствующих источников для их массового производства. С по­
мощью методов биотехнологии (ферментативный катализ, куль­
тивирование микроорганизмов, растительных клеток) возможно
быстрое решение проблемы как массового производства пищевых
продуктов, так и получения различных функционально важных
ингредиентов.
Пищевая биотехнология призвана связать воедино современ­
ную биологическую науку и успехи биоинженерии с традицион­
ными процессами переработки пищевого сырья с целью создания
новой, экологически чистой пищи. Подобного можно достичь ин­
теграцией новейших достижений биологических и технологичес­
ких наук с классическими подходами производства пищевой про­
дукции.
Предполагается, что в ближайшем будущем развитие пищевой
промышленности будет связано с увеличением урожайности рас­
тений, повышением продуктивности животных и микроорганиз­
мов. Этого можно достичь с помощью различных способов (клас­
сическая селекция, мутагенез, клеточная и генная инженерия),
что будет способствовать увеличению сырьевого потенциала от­
расли, улучшению качества продуктов питания, обеспечению их
высокой экологической чистоты.
Существуют три основные области, в которые биотехнология
может внести существенные изменения: увеличение выхода сельс­
кохозяйственной продукции, сокращение потерь пищевых про­
дуктов из-за порчи, повышение их пищевой ценности.
Генная инженерия — это новые возможности биотехнологии.
Она может быть использована для интенсификации классических
способов получения биологически активных веществ из расти­
тельных и животных тканей с помощью микроорганизмов, а так­
же для биосинтеза соединений нового вида.
В наступившем столетии генетически модифицированные
микроорганизмы и полученные с их помощью пищевые продук­
ты станут для населения планеты привычными, поскольку при­
дется решать проблему всевозрастающего мирового дефицита
продовольствия, связанного с увеличением численности насе­
ления.
Использование трансгенных, высокоурожайных, стойких к за­
болеваниям и быстрорастущих растений и высокопродуктивных
животных может дать начало новым направлениям в отраслях пи­
щевой и перерабатывающей промышленности.
Генетическая модификация имеет черты сходства с обычной
селекцией, но отличается намного более высокой эффективно­
стью, селективностью и возможностями. При условии выполне­
ния необходимых регулирующих процедур возможно обеспечение
безопасности генно-модифицированных пищевых продуктов.
Современная биотехнология тесно связана со всеми отраслями
пищевой промышленности, что обусловлено возможностью улуч­
шения качества как сырья и организмов, участвующих в техноло­
гических процессах, так и пищевых продуктов.
Все большее количество предприятий осваивают пищевые тех­
нологии, включающие методы, объекты и продукцию биотехноло­
гии, поэтому возрастает потребность в специалистах, обладающих
не только глубокими познаниями в области пищевых произ­
водств, но и умением использовать при создании новых техноло­
гий знания в области микробиологии, биохимии, физической и
коллоидной химии, пищевой химии, генетики, общей биотехно­
логии, т. е. наук, служащих теоретической основой пищевой био­
технологии.
Часть I
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Глава 1
ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ
1.1. ПРЕДМЕТ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ БИОТЕХНОЛОГИИ
А
Б и о т е х н о л о г и я — это управляемое получение целевых
продуктов с использованием биологических агентов: микроорга­
низмов, вирусов, клеток животных и растений, а также с помощью
внеклеточных веществ и компонентов клеток.
В своем развитии биотехнология прошла несколько этапов.
Первый этап — это революционное изменение существа био­
технологических процессов. Начало ему было положено в 1883 г.,
когда на основании работ Пастера в хлебопечении была впервые
использована чистая дрожжевая культура.
Второй этап в развитии биотехнологии связан с совершенство­
ванием в Великобритании Вейзманом ацетонобутилового броже­
ния, что явилось исходным пунктом замены химических про­
дуктов продуктами микробного синтеза. Изучение микробного
метаболизма в 20—30-е годы прошлого столетия привело к воз­
никновению новых технологий органических кислот, растворите­
лей, ферментов и витаминов, а также к производству в промыш­
ленных объемах микробных масс в нестерильных условиях.
* Третий этап развития биотехнологии связан с открытием пени­
циллина и наступлением эры антибиотиков.
Четвертый, современный этап развития биотехнологии харак­
теризуется тем, что наряду с информатикой и микроэлектрони­
кой биотехнология является основной движущей силой техничес­
кого прогресса и социально-экономического развития любой
страны, основой для создания в XXI в. принципиально новой ме­
дицины, пищевой промышленности и сельского хозяйства.
Это связано с открытием в конце 50-х годов XX в. основных
молекулярных механизмов функционирования живых организ­
мов. В результате этих открытий родилась генная инженерия, ко­
торая потенциально позволяет переносить любые гены от одного
организма к другому и целенаправленно создавать, «конструиро­
вать» живые системы с нужными для человека свойствами. Появ­
ление генной инженерии кардинально расширило возможности
биотехнологии.
' 5
/
Первым практическим результатом генной инженерии явилось
создание штаммов микроорганизмов, способных в промышлен­
ных масштабах производить лекарственные препараты. Сейчас в
мире производится более 300 наименований генно-инженерных
лекарств и вакцин и продолжается разработка технологий новых
препаратов.
Еще более впечатляющие результаты достигнуты генной ин­
женерией в растениеводстве. Уже сейчас около 40 млн га в мире
засеяно сортами кукурузы, картофеля, подсолнечника, томата,
хлопчатника, устойчивыми к вредителям и болезням. Эти посевы
не нуждаются в обработке пестицидами, поэтому они более эко­
номичны и снижают антропогенную нагрузку на окружающую
среду. Ожидается, что в дальнейшем генная инженерия позволит
создать растения повышенной питательной ценности, засухо- и
морозоустойчивые. Только такие сорта позволят избавить от голо­
да быстро растущее население Земли.
Генная и клеточная инженерия животных, пока не вышедшие
из стен научно-исследовательских лабораторий, позволяют не
только клонировать, т. е. воспроизводить в любом количестве ко­
пий, самые высокопродуктивные экземпляры домашних живот­
ных, но и создавать животных, которые будут производить раз­
личные ценные белки и секретировать их вместе с молоком.
Человечество еще не успело реализовать все возможности ген­
ной и клеточной инженерии, а новый крупнейший биологичес­
кий проект — расшифровка генома человека — несет новые воз­
можности для развития биотехнологии. Геномные исследования
составляют основу двух перспективных направлений медицины
XXIв. — г е н о т е р а п и и , призванной исправлять наследствен­
ные дефекты человека, и п р о г н о с т и ч е с к о й м е д и ц и н ы ,
позволяющей диагностировать предрасположенность к той или
иной болезни и предупреждать развитие таких недугов человека,
как онкологические и сердечно-сосудистые заболевания.
Кроме того, биотехнологию начинают использовать в самых
различных отраслях промышленности — горнодобывающей, хими­
ческой, пищевой, а также для очистки воды, воздуха, ремедиации
почв. По оценкам экспертов, в XXI в. в связи с сокращением запа­
сов полезных ископаемых до 40 % сырья для химического синтеза
будут получать не из нефти, а из растительного сырья путем его
переработки, будет создана новая «биотехнологическая химия», ос­
нованная на использовании возобновляемых природных ресурсов.
Поэтому биотехнология является единственной естественной
научно-технической дисциплиной, объявленной ООН техноло­
гией XXI в. На биотехнологию возложены основные надежды в
решении таких проблем, как профилактика и лечение от наслед­
ственных болезней, рака, СПИДа; увеличение средней продол­
жительности жизни; обеспечение растущего населения планеты
продовольствием. Именно уровень развития биотехнологии будет
определять уровень экономического развития государства и каче­
ство жизни его населения.
Осознание перспектив биотехнологии привело к изменению
приоритетов государственной научно-технической политики всех
развитых стран в пользу биологии и биотехнологии.
1.2. ВОЗМОЖНОСТИ БИОТЕХНОЛОГИИ
Во всем мире основные направления развития биотехнологии
обусловлены потребностью в определенных продуктах и энергии
при одновременно имеющейся необходимости использовать отхо­
ды различных производств.
Для удовлетворения потребностей в пищевых продуктах непре­
рывно растущего населения планеты, численность которого к на­
чалу XXI в. составила 6 млрд человек, необходимо увеличивать эф­
фективность растениеводства и животноводства. На решение этой
проблемы в первую очередь направлены усилия биотехнологов.
Современные ресурсы растительного и животного белка не мо­
гут удовлетворить возрастающие потребности в нем. Запасы белка
ограничены урожайностью сельскохозяйственных культур, разме­
рами посевных площадей, продуктивностью животных, возмож­
ностями добычи продуктов Мирового океана и многими другими
факторами.
Одно из перспективных направлений в пищевой биотехноло­
гии — обогащение хорошо известных пищевых продуктов белком
и создание новых видов пищи, в которых важная роль отводится
белковым добавкам, полученным на основе белка одноклеточных,
прежде всего дрожжей, бактерий, грибов и водорослей.
По сравнению с получением сельскохозяйственной продукции
промышленное производство обогащенных белками микробных
масс значительно менее трудоемко; не зависит от климатических
условий, плодородия почв, времени года; характеризуется высо­
кой продуктивностью и использованием ранее не применявшего­
ся в производстве кормов и пищевых продуктов сырья. Микроор­
ганизмы способны накапливать до 60—70% белка (в расчете на
сухую биомассу), синтезировать также углеводы, липиды, витами­
ны, минеральные вещества. Их продуктивность во много раз пре­
вышает продуктивность растений и сельскохозяйственных живот­
ных. Получаемую биомассу можно непосредственно применять в
качестве обогатителя кормов или направлять на получение очи­
щенных белковых препаратов для пищевых целей.
Ценный источник пищевого белка — съедобные шляпочные
грибы. Их используют непосредственно как пищевой продукт или
как вкусовую приправу к различным блюдам. Мировое производ­
ство съедобных грибов в промышленных условиях составляет сей­
час 1,2—1,3 млн т в год, при этом примерно 70—75 % приходится
на долю шампиньонов.
Полноценность пищевых продуктов и кормов определяется
содержанием в них не только белков, но и незаменимых амино­
кислот, поэтому весьма перспективно использовать для обога­
щения пищи отдельные аминокислоты или их сбалансирован­
ную смесь.
Аминокислоты можно получать путем трансформации их
предшественников с помощью микроорганизмов или вырабаты­
ваемых ими ферментов, гидролиза природных белков и микроб­
ного синтеза.
В наибольшем количестве выпускают Ь-глутаминовую кислоту,
применяемую в качестве вкусового и консервирующего агента в
пищевой промышленности. Натриевая соль глутаминовой кисло­
ты — эффективный усилитель вкуса, поэтому ее используют при
изготовлении мясных и овощных блюд, добавляют во все про­
дукты при консервировании, замораживании и длительном хране­
нии. Многие аминокислоты обладают оригинальным вкусом и на­
ряду с другими веществами обусловливают вкусовые особенности
тех или иных продуктов.
Синтезируемые микроорганизмами биологически активные ве­
щества могут быть обогатителями пищи человека и кормов сельс­
кохозяйственных животных.
Все более пристальное внимание исследователей привлекают
термофильные и термотолерантные процессы, характеризующие­
ся высокой биоэнергетикой и позволяющие эффективнее решать
проблемы теплоотвода, проводить биокаталитические реакции с
высокой скоростью, снижать опасность загрязнения среды куль­
тивирования или биокатализа посторонней микрофлорой.
Эффективность любой промышленной биотехнологии опреде­
ляется себестоимостью целевого продукта, которая зависит от его
выхода, конверсии субстрата и удельного расхода энергии. При­
меняя энергосберегающие технологии, можно выявить резервы
снижения себестоимости продуктов микробного синтеза.
Одна из важнейших задач биотехнологии — организация пе­
реработки возобновляемых нерастворимых видов растительного
сырья: крахмала и целлолигнинового комплекса с выбором наибо­
лее эффективного способа его конверсии (гидролиз, прямое куль­
тивирование микроорганизмов, ферментолиз, газификация и др.).
При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицел­
люлоз можно получать этанол и сырье для химической промыш­
ленности. Методами генной инженерии можно создавать штаммы,
которые будут лучше адаптироваться к этим типам биоконверсии,
и получать больший выход продукции.
Переработка побочных продуктов сельского хозяйства и от­
ходов пищевой промышленности микроорганизмами зависит от
того, насколько рентабелен этот процесс по сравнению с исполь­
зованием других субстратов. Необходимо также учитывать воз­
можные последствия для окружающей среды. Биотехнологичес­
кие процессы тоже вызывают химическое и биологическое за­
грязнение окружающей среды, но с помощью микроорганизмов
можно удалять существенную часть органических загрязнений,
содержащихся в сточных водах различных производств, уменьшать
количество остаточного шлама, удалять неприятные запахи.
Биотехнология рассматривается как приоритетное направле­
ние в большинстве высокоразвитых стран. Более высокими темпа­
ми развития выделяются среди других стран США и Япония, где
программам по производству продуктов микробного синтеза уде­
ляется большое внимание как весьма перспективным сферам на­
ционального бизнеса. В этих странах биотехнология ориентирова­
на на создание технологий, основанных на рекомбинации ДНК
или связанных с использованием белковых молекул; на получение
специальных штаммов микроорганизмов для синтеза новых био­
полимеров и разложения токсичных соединений различной при­
роды; на широкое развитие генно-инженерных работ по азотофиксации, что позволит сократить внесение в почвы химических
азотсодержащих удобрений. В области разработки новых источни­
ков сырья и энергии процессы биотехнологии используются для
утилизации целлюлозосодержащих отходов, создания систем обо­
ротного водоснабжения, глубокой очистки сточных вод, извлече­
ния из них полезных веществ. Биотехнологические пищевые про­
дукты составляют 10% всей рыночной продукции США.
В Германии основной продукцией, частично или полностью
производимой с помощью биотехнологических методов, являются
фармацевтические препараты для человека и животных, витами­
ны, гормоны, жиры и жирные кислоты, сыворотки и вакцины,
антибиотики, клеящие вещества, желатин и т. д. В будущем пред­
полагается уделить внимание специальным направлениям, спо­
собным дать долгосрочные импульсы в развитии биотехнологии:
нейробиологии, биологической сигнальной и информационной
обработке, ферментативному дизайну. По этим направлениям уже
успешно проведены базисные исследования.
Во Франции развитие биотехнологии определяется тремя на­
правлениями исследований:
• фундаментальное исследование микроорганизмов, раститель­
ных и животных клеток и ферментов;
• изучение и разработка биотехнологических процессов (кине­
тики, ферментативной инженерии, контрольных приборов и т. д.);
• исследования, связанные с фармацевтической, пищевой про­
мышленностью и сельским хозяйством, защитой окружающей
среды и получением возобновляемых источников энергии.
В пищевой промышленности все активнее применяют микроб­
ные ферментные препараты вместо растительных и животных фер­
ментов. Так, микробные амилазы заменили аналогичные ферменты
из пшеничного и ячменного солода в спиртовом и пивоваренном
производстве, хлебопечении и производстве сухого печенья; мик­
робные протеазы — животные и растительные протеазы, употребля­
емые для размягчения мяса; микробный реннин заменил сычужный
фермент из желудков телят и ягнят в сыроделии. В консервной
промышленности с использованием микробных ферментных пре­
паратов увеличивается выход сока, особенно из ягод с большим
содержанием пектина, повышается стойкость против инфициро­
вания и удлиняется срок хранения готовой продукции. В вино­
градном и плодово-ягодном виноделии благодаря ферментным
препаратам можно повысить качество традиционных марок вин
и получать новые. С помощью ферментных препаратов возможно
также увеличить стойкость пива и вин к белковым помутнениям.
Все большее значение в мире приобретают низкокалорийные,
неопасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую
очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии
иммобилизованной глюкозоизомеразы. Зерновой крахмал превра­
щают в смесь глюкозы и фруктозы или в высокофруктозную зер­
новую патоку, которая заменяет сахарозу при подслащивании без­
алкогольных напитков и других пищевых продуктов, с помощью
трех ферментов: а-амилазы, глюкоамилазы и глюкозоизомеразы.
Мировое производство фруктозной зерновой патоки достигает бо­
лее 2 млн т, причем более половины этого количества вырабатыва­
ют в США.
Около 20 % населения нашей страны страдает неусваиваемостью лактозы, поэтому актуальным является получение молочных
продуктов, в которых лактоза ферментативно гидролизована в
глюкозу и галактозу. Перспективно и производство различных пи­
щевых продуктов из компонентов молочной сыворотки, которую
во всем мире в основном (48—88 %) направляют на корм скоту.
Путем фракционирования молочной сыворотки и непрерывного
гидролиза лактозы ее можно эффективно использовать в пищевой
промышленности.
в® ЯВШ»!
>
•.’
' . .* :
Перспективно также направление разработки технологий про­
дуктов функционального питания, которое можно выделить в са­
мостоятельную отрасль пищевой биотехнологии.
Поскольку слияние принципов пищевой биотехнологии и фар­
макологии можно считать на сегодняшний день свершившимся
фактом, во всем мире большое внимание уделяется проблеме изу­
чения лечебно-профилактических свойств пищевых ингредиентов
и отдаленных последствий их воздействия на организм человека.
Уже сегодня с определенной степенью достоверности посредством
рационального использования пищевых ингредиентов, в том чис­
ле растительного происхождения, можно улучшить обменные про­
цессы и нормализовать метаболизм тканей.
Важнейшие исследования, проводимые в высокоразвитых стра­
нах в области биотехнологии для повышения качества продуктов
питания, посвящены:
• разработке акустических биосенсоров для обнаружения нека­
чественных пищевых продуктов;
• идентификации и оценке противомикробных систем как но­
вого средства повышения степени безопасности и улучшения ка­
чества пищи;
• разработке сенсоров для улучшения контроля чистоты про­
цессов приготовления пищевых продуктов в герметично закрытом
оборудовании.
Удовлетворить пищевые потребности человечества возможно
путем увеличения сырьевых источников, что связано с повышени­
ем эффективности растениеводства и животноводства. Поэтому
биотехнологи работают над повышением продуктивности сель­
скохозяйственных культур, их пищевой и кормовой ценности,
созданием новых культур, способных расти на засоленных почвах,
в засушливых и заболоченных районах.
Создание новых сортов растений традиционно осуществляют
путем селекции на основе гибридизации, спонтанных и индуциро­
ванных мутаций. В последние годы исследования в этой области
базируются на новых разработках, в которых используют культуры
клеток, протопластов и тканей, а также методы генной инжене­
рии, направленные на создание новых сортов целевым воздей­
ствием на молекулярные и клеточные механизмы, которые обес­
печивают биологическое разнообразие и высокую продуктив­
ность. Эти новые методы значительно сокращают затраты време­
ни и труда селекционеров.
Клонированием нуклеиновых кислот можно также выявлять ви­
русы в растительной ткани при выбраковке зараженных растений.
В некоторых странах интенсивно исследуют биологическую
фиксацию атмосферного азота. Изучают возможности повышения
эффективности этого процесса, играющего важную роль в круго­
вороте азота в биосфере, повышении плодородия почв и про­
дуктивности растений, а также выявляют возможность создания
новых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций между бо­
бовыми растениями и бактериями рода КЫюЫит. В будущем не
меньшую роль сыграет введение в растения бактериальных генов,
обеспечивающих фиксацию атмосферного азота.
Клонирование клеток — перспективный метод получения не
только новых сортов растений, но и промышленно важных про­
дуктов.
Ученые считают иммобилизацию растительных клеток внутри
пористых полимеров наиболее практичным решением для осуще­
ствления биосинтеза необходимых соединений. К тому же знания
и практический опыт, накопленные относительно иммобилиза­
ции микробных клеток и ферментов, а также функционирования
таких биореакторов, несомненно, внесут весомый вклац в разви­
тие технологии культур растительных клеток. Их широкое биоло­
гическое разнообразие обеспечит доступность для использования
в сельском хозяйстве и пищевой промышленности следующих со­
единений: аминокислот, ароматических добавок и специй, краси­
телей, ферментов, гормонов и регуляторов роста растений, белков
и пигментов.
Наиболее перспективной в области биологической защиты
растений исследователи считают разработку средств борьбы с насекомыми-вредителями и патогенными микроорганизмами. Бога­
тый опыт накоплен в создании и использовании микробных пес­
тицидов на основе бактериальных, грибных и вирусных культур.
Микробиологические препараты можно использовать в сочетании
со многими другими, в том числе с бактериальными удобрениями
и препаратами эпифитных бактерий — стимуляторов роста рас­
тений.
При правильном применении микробиологические средства
защиты растений безвредны для самих растений, людей, полезных
животных и насекомых, так как действуют узконаправленно на
определенные виды и быстро разлагаются в почве.
В настоящее время эксперты оценивают стоимость биотехно­
логической продукции на мировом рынке в 163 млрд долл. в год.
Основными секторами рынка являются:
• продукты для пищевой промышленности и сельского хозяй­
ства (пищевые и кормовые добавки, биологические средства за­
щиты растений) — около 45 млрд долл.;
• фармацевтическая продукция (антибиотики, вакцины, генноинженерные лекарства и новейшие средства диагностики) —
26,8 млрд долл.;
• ферменты и препараты для производства моющих средств и
другой химической продукции — 21,7 млрд долл.
Кроме того, к биотехнологии относят производство посадоч­
ного материала генно-инженерно-модифицированных растений
(объем продаж — до 30 млрд долл. в год) и частично фармацев­
тические и косметические средства, получаемые из натурального
растительного или животного сырья (объем этого рынка —
40 млрд долл. в год).
В 2001 г. выпуск российской биотехнологической продукции
оценивали в 360—400 млн долл., при этом ежегодный импорт то­
варов, в производстве которых используются биотехнологии, вы­
ражается суммой в 650 млн долл. Таким образом, объем россий­
ского рынка биотехнологических товаров превышает 1 млрд долл.,
причем пищевая промышленность и сельское хозяйство потребля­
ют 40 % всей биотехнологической продукции.
Глава 2
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АГЕНТЫ, СУБСТРАТЫ
И МЕТОДЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
2.1. ОБЪЕКТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Активным началом в биотехнологических процессах является
биологический агент. Номенклатура биологических агентов, ис­
пользуемых в биотехнологии, включает клетки микроорганиз­
мов, животных, растений; вирусы (в пищевой промышленности
не используются); компоненты клеток, внеклеточные продукты
(ферменты, коферменты); иммобилизованные клетки микроор­
ганизмов, животных, растений, их компоненты и внеклеточные
продукты.
Первое место среди важнейших биологических агентов занима­
ет самый традиционный из них — микробная клетка.
Точное знание основ жизнедеятельности микроорганизмов
является важнейшим условием рациональной постановки техно­
логических процессов, лежащих в основе биотехнологических
производств.
2.1.1. МИКРООРГАНИЗМЫ
К микроорганизмам, широко используемым в биотехнологии
для получения микробной массы
а, отноас(епит,
сятся бактерии (роды Шсгососсиз\\Ва<$\цз
Рзеис/отопаз, МусоЬас1епит, Со
ШМег, егоЬас!ег,
ЗИСбМбР*9 I
2 - 8370
а*Ь1 ГЫ/1ЫМи
17
1 К1 ТАПХАНАПК
АскготоЬас1ег и др.), микроскопические грибы (роды Азрег^Циз,
Яккориз, Тпскойегта, С1айозропит, РетсШшт и др.), актиномицеты (роды 51гер№тусез, АсИпотусез) и дрожжи (роды Засскаготусез,
СапШёа, Тоги1орз15, Якос1о(оги1а, Напзепи1а, РкЫа).
Эубактерии. Это одноклеточные микроорганизмы. За не­
многими исключениями они имеют шарообразную (кокки) или
цилиндрическую (палочки, прямые или изогнутые) форму. Диа­
метр кокков 0,5—2мкм, размер палочек 0,5—4мкм в длину и
0,5 —4мкм в поперечнике. Размножаются бактерии, как правило,
путем бинарного деления клетки. В природе при наличии воды
бактерии могут существовать в аэробных и анаэробных условиях.
По типу питания бактерии делят на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы способны синтезировать все компоненты клетки
из СОз, используя энергию, полученную при окислении неорга­
нических веществ (МНз, N02, Ре2+, Нг, НгЗ) или энергию света.
Гетеротрофы для построения веществ своего тела получают энер­
гию в процессе окисления или сбраживания органических веществ
(сахара, спирты, органические кислоты, углеводороды и т. д.).
Микроскопические грибы. Представители родов РетсШшт и
АзрецрИиз, а также Тпскойегта и дрожжеподобных грибов родов
ЕпЛотусорзгз и ЕпЛотусез являются продуцентами многих биоло­
гически активных веществ: ферментов, аминокислот, витаминов,
органических кислот, антибиотиков, средств защиты растений,
бактериальных удобрений и др.
Вегетативное тело микроскопических грибов состоит из сильно
разветвленных, длинных, диаметром 1—5 мкм грибных нитей
(гиф), образующих грибницу, или мицелий. У микроскопических
грибов различают три типа размножения: половое, бесполое и ве­
гетативное. Половое размножение встречается редко и протекает в
неблагоприятных условиях, например при недостаточном доступе
кислорода. Наиболее развиты бесполое и вегетативное размноже­
ние. В основном грибы — это свободно живущие сапрофиты, но
некоторые из них паразитируют на животных, а многие являются
опасными вредителями растений. Для роста, развития и синтеза
метаболитов микроскопические грибы требуют наличия в среде
кислорода.
Макромицеты в отличие от микромицетов формируют плодо­
вые тела, дифференцированные в шляпку и ножку; размножаются
вегетативно (грибницей) или половым путем.
Актиномицеты. Как и бактерии, это прокариотные организмы,
не имеющие дифференцированного ядра. Подобно грибам они
образуют слаборазвитый или длинный (свыше 600 мкм), вет­
вистый и очень тонкий мицелий, толщина (диаметр) гиф кото­
рого 0,8—1,4 мкм. На питательных средах актиномицеты обра­
зуют субстратный, а также воздушный мицелий, в отдельных его
гифах — спороносцах — образуются споры, предназначенные для
размножения.
Актиномицеты могут также размножаться вегетативным путем.
Подобно многим бактериям актиномицеты не переносят кислых
условий среды. В отличие от истинных грибов некоторые предста­
вители актиномицетов являются анаэробами.
Дрожжи. Представляют собой одноклеточные грибы. Форма
дрожжевых клеток чаще всего округлая или эллипсоидальная,
но она может меняться в зависимости от условий культивиро­
вания. Средние размеры дрожжевой клетки составляют от 3—5
до 8 —15мкм. Большинство дрожжей размножаются почкова­
нием. На материнской клетке образуется почка, которая вы­
растает в дочернюю клетку; достигнув объема материнской, она
отделяется от нее (род 5ассНаготусез). Есть дрожжи, размно­
жающиеся делением, подобно бактериям (род 8сЫт.озассНаготусез), и дрожжи, сочетающие процессы почкования и деления,
так называемое почкующееся деление (роды МаеЬота, ЗассИаготусоЛез и др.).
В отличие от истинных грибов дрожжи проявляют свою жизне­
деятельность как в анаэробных, так и в аэробных условиях. В ана­
эробных условиях дрожжи, сбраживая сахара, получают не­
обходимую им энергию и промежуточные продукты обмена,
используемые клеткой для всех жизненных процессов. Основ­
ными продуктами брожения являются этанол и диоксид углерода.
В аэробных условиях дрожжи не сбраживают, а окисляют углево­
ды до диоксида углерода (углекислого газа) и воды. Спирт при
этом почти не образуется, но резко ускоряется процесс размно­
жения дрожжей.
Микроскопические водоросли. Они достаточно полноценны по
белку. Синезеленые водоросли, или цианобактерии, называются
делящимися водорослями, и с бактериями их объединяют призна­
ки, типичные для протокариот. Все водоросли дефицитны по се­
росодержащим аминокислотам и триптофану.
По такому показателю, как отношение суммы незаменимых
аминокислот к общему азоту в продукте, водоросли и цианобак­
терии близки по значению, но уступают по нему стандартным
продуктам (коровье молоко, гусиные яйца). Представляет также
интерес возможность получения из водорослей одновременно с
белком кислых полисахаридов — важного компонента искусст­
венных продуктов питания.
В мировой практике микроводоросли используют как добавку
в шоколад и бисквиты (до 10 %), джемы (до 30 %). В пищу упо­
требляют также водоросли, выращенные на отходах переработки
картофеля и томатов, виноделия, сахарного и спиртового произ­
водств.
2.1.2. КЛЕТКИ РАСТЕНИЙ
Культивирование клеток растений — относительно молодая от­
расль биотехнологии. С помощью этого метода возможно прове­
дение исследовательских и прикладных работ, которые затрудне­
ны или невозможны при использовании интакгных растений.
Метод клеточных культур дает возможность получить неогра­
ниченное количество идентичных клеток, которые могут служить
модельными системами для изучения метаболизма растений, при
этом продолжительность эксперимента сокращается с нескольких
лет до 10 —15 дней. Культуры растительных клеток являются
удобной моделью для изучения системы хозяин—паразит (вирусы,
бактерии, грибы, нематоды, насекомые) и для поиска важных для
промышленности и сельского хозяйства метаболитов (токсинов,
гербицидов, регуляторов роста и др.). Чистые культуры раститель­
ных клеток также могут быть использованы в биосинтетических и
биотрансформирующих реакциях.
В настоящее время насчитывается более 50 групп вторичных
метаболитов, которые продуцируют культуры клеток растений,
основные из них: углеводы, аминокислоты, пептиды, белки,
ферменты, нуклеиновые кислоты и их производные, витамины,
липиды, гормоны, ароматические вещества, красители, органи­
ческие кислоты, пигменты, пищевые добавки, специи, алка­
лоиды и др.
В ряде случаев целевой продукт накапливается в клеточных
культурах в значительно больших количествах, чем в соответству­
ющих интакгных растениях.
Культуры клеток растений могут быть использованы не только
в биосинтезе вторичных метаболитов, но и для биотрансформации
химических соединений.
В культурах клеток растений найдены ценные биологически
активные соединения, не обнаруженные в соответствующ их интактных растениях, например перицин, перикалин, хинокиол,
ферригинол и др.
Культуры тканей животных и человека используют только в
клинической медицине.
2.2. ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Потребность в тех или иных веществах определяется физиоло­
гическими особенностями данного вида микроорганизмов, но во
всех случаях питательная среда должна представлять собой сба­
лансированный водный раствор этих веществ и обеспечивать их
приток в клетку в определенном количестве.
2.2.1. ПРИНЦИПЫ СОСТАВЛЕНИЯ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД
В самом приближенном виде физиологические потребности
микроорганизма в питательных веществах можно выявить, опре­
делив химический состав микробной клетки, однако в этом слу­
чае не учитываются количество и состав метаболитов, выделен­
ных клеткой во внешнюю среду, и то обстоятельство, что состав
клеточного вещества микроорганизма зависит от состава среды
обитания и варьирует в достаточно широких пределах. Но все же
первоначальную ориентировку в выборе оптимального состава
питательной среды можно сделать на основе анализа состава кле­
точного вещества микроорганизма (табл. 2.1).
2.1. Усредненный элементарный состав биомассы некоторых групп
микроорганизмов
Химический состав
микробной клетки
Состав биомассы, % СВ
Бактерии
Дрожжи
Мииелиальные грибы
Углерод
50,4
49,8
47,9
Азот
12,3
12,4
5,2
Кислород
30,5
40,2
Водород
6,8
31,1
6,7
Р20 5
4,95
3,54
4,85
к2о
2,41
2,34
2,81
503
0,29
0,04
0,11
N320
0,07
м&о
0,82
0,42
1,12
0,38
СаО
0,89
0,38
0,19
Ръ Р 3
0,08
0,03
0,16
«От
0,03
0,09
0,04
1 ЗБЗ
6,7
.
Кроме важнейших элементов в состав клеток всегда входят
микроэлементы: бор, молибден, марганец, цинк, медь, бром, йод,
кобальт и др., необходимые клетке для образования ферментов и
витаминов. Обычно микроэлементы вносят в среду вместе с водо­
проводной водой. Соотношение отдельных химических элементов
в среде может заметно колебаться в зависимости от вида микро­
организмов и условий их роста.
Среди элементов наибольшее биогенное (жизненно важное)
значение имеет углерод. Он входит в состав почти всех органичес­
ких соединений, образующихся в микробной клетке. Углерод
прежде всего вступает во взаимодействие с кислородом, водоро­
дом, азотом, образуя в сочетании с другими элементами основу
жизненно важных соединений клетки: аминокислот, белков, угле­
водов, нуклеиновых кислот, жиров и др.
Важны для питания микроорганизма и остальные элементы:
фосфор, сера, кислород, железо, калий и др.
Микроорганизмы чувствительны к составу питательных сред.
Одни соединения они интенсивно потребляют, другие оставляют
нетронутыми или используют во вторую очередь. Состав среды в
процессе роста культуры меняется, что оказывает влияние на ее
развитие и биосинтетическую способность.
В то же время микроорганизмы весьма неприхотливы и легко
адаптируются к условиям обитания. Например, дрожжи прекрас­
но растут на глюкозе, сахарозе, мальтозе, но могут быть адапти­
рованы к выращиванию на пентозах, парафинах нефти, этаноле,
метаноле и т. д.
Часто сырьем для выращивания микроорганизмов служит мате­
риал, который они не в состоянии использовать без предварительной
подготовки (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, пектин,
пентозаны и т. д.). В подобных случаях при приготовлении питатель­
ной среды биополимеры предварительно гидролизуют ферментатив­
ным или химическим способом до получения усваиваемой формы.
Таким образом, питательная среда должна иметь определенное
значение рН, содержать водный раствор или суспензию усваивае­
мых форм углерода, азота, необходимый набор макро- и микро­
элементов.
Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов часто
оказывается необходимым присутствие в питательной среде фак­
торов роста, главным образом витаминов, источником которых
могут быть автолизаты и гидролизаты клеток дрожжей и других
микроорганизмов, кукурузный экстракт, отвары растительных
отходов и т. д. Далее рассматриваются источники отдельных ком­
понентов питательных сред.
Источники углерода. Большинство микроорганизмов в каче­
стве источника углерода ассимилируют органические вещества.
Исключение составляют цианобактерии, которые используют ди­
оксид углерода.
Непосредственным источником углерода могут быть различ­
ные углеводы несложного строения: гексозы, пентозы, низкомо­
лекулярные олигосахариды. Полисахариды, такие, как целлюлоза,
гемицеллюлозы, пектиновые вещества, крахмал, маннаны, пенто­
заны и т. д., могут быть источником углерода лишь после их гид­
ролиза и при условии, что микроорганизм обладает способностью
синтезировать ферменты, гидролизующие эти вещества. Микро­
организмы могут использовать органические кислоты, спирты,
жирные кислоты, легкие и тяжелые углеводороды и другие углево­
дородсодержащие соединения.
Выбор источника углерода в биотехнологии имеет большое зна­
чение. Он часто предопределяет состав остальных компонентов сре­
ды и даже технологию и аппаратурное оформление производства,
особенно если сырье нуждается в предварительной подработке.
Источники азота. Азот должен находиться в среде в химически
связанном состоянии: в виде неорганических солей, кислот и
органических соединений. Потребность в тех или иных азотсодер­
жащих соединениях определяется физиологическими возможнос­
тями микроорганизмов. На основе экспериментального изучения
потребности микроорганизма в той или иной форме азота опреде­
ляют необходимое содержание этих веществ в питательной среде.
Как правило, продуценты биологически активных веществ
нуждаются в отдельных аминокислотах, реже — во всех 20 про­
теиногенных.
Органические азотсодержащие соединения и аммонийный азот
обычно легко усваиваются микроорганизмами, нитраты — мед­
леннее, так как азот нитратов должен быть сначала восстановлен,
лишь после этого он может быть реализован клеткой в процессе
обмена веществ. Нитриты практически не используются как ис­
точник азота в среде.
Источники фосфора. Фосфор вносят в среду в виде солей фос­
форной кислоты, как правило, с различными естественными суб­
стратами (отварами растительных тканей, мукой, кукурузным экс­
трактом и т. д.) или реже с синтезированными соединениями (на­
пример, фитином).
Фосфор — важный элемент питательной среды. В клетке он
входит в состав АТР, АОР, АМР, обеспечивая энергетический и
конструктивный обмены, участвуя в синтезе белков, нуклеиновых
кислот, гликолизе и других процессах. Скорость роста культуры
зависит от содержания фосфора. При недостатке его в среде, осо­
бенно в начале роста микроорганизмов, наблюдаются пониженный
уровень накопления биомассы, незначительный прирост липидов,
обеднение клеток белками и витамином В2, резкое снижение ин­
тенсивности дыхания и повышение бродильной способности дрож­
жей. При этом в несколько раз уменьшается содержание фосфора
во всех клеточных фракциях микроорганизма.
Источники витаминов, макро- и микроэлементов. Без витаминов
и ионов металлов невозможно представить обмен веществ мик­
робной клетки. Но потребность микроорганизмов в этих соедине­
ниях различна. По этому признаку все микроорганизмы делятся
на два типа: а у к с о а в т о т р о ф ы , не требующие введения в пи­
тательную среду витаминов и синтезирующие их из строительных
блоков самостоятельно, и а у к с о г е т е р о т р о ф ы , не способные
синтезировать ряд витаминов. Если продуцент — ауксогетеротроф, то введение хотя бы небольших количеств витаминов не­
обходимо: оно ускоряет его рост и развитие. Многие микроорга­
низмы относятся к ауксогетеротрофам, например, для дрожжей
необходим водорастворимый комплекс витаминов группы В.
Обычно потребность микроорганизмов в витаминах устанавли­
вают экспериментально, конкретно для каждого штамма. Как пра­
вило, недостатка в витаминах в средах нет, так как они вводятся
вместе с растительными субстратами, которые являются одновре­
менно основным источником углерода в среде, и лишь в редких
случаях прибегают к введению в среды автолизатов микробных
масс, кукурузного экстракта и т. п.
Многие ионы металлов, являясь составной частью активного
центра ферментов или участвуя в поддержании их пространствен­
ной структуры, обеспечивают обмен веществ микроорганизмов.
Ферменты, содержащие металлы, активируют процессы дыхания,
окислительно-восстановительные реакции, синтез аминокислот,
жирных кислот, сахаров, нуклеотидов, пиримидиновых основа­
ний; регулируют образование сложнейших молекул белков, гли­
когена, нуклеиновых кислот, их трансформацию и распад.
Наибольшее влияние на рост и развитие микроорганизмов оказы­
вают ионы железа, меди, марганца, цинка, бора, молибдена, кобаль­
та и ряда других металлов. Микроорганизмы нуждаются в микродо­
зах этих элементов, о чем свидетельствует количественный состав
золы продуцента. Если же эти вещества присутствуют в средах в
больших количествах, чем это необходимо для развития микроор­
ганизма, то они оказывают ингибирующее действие, что объясня­
ется законами конкурентного и неконкурентного торможения.
Токсическое действие на многие микроорганизмы, в том числе
и на дрожжи, оказывают галогены, формальдегиды, фенол, толу­
ол, бензол и ряд других веществ. Таким образом, питательная сре­
да должна содержать определенное количество углерода, азота,
фосфора, витаминов, макрр- и микроэлементов.
В биологических исследованиях перспективно использование
математических методов планирования эксперимента, которые
позволяют быстрее установить и научно обосновать оптимальный
режим культивирования и состав среды.
Контрольные вопросы
1. Какие биологические агенты используют в биотехнологии? 2. В чем заклю­
чается роль источника углерода для клетки? 3. Какова роль азота и фосфора в
жизнедеятельности микроорганизмов? 4. Какие микроэлементы необходимы для
роста и развития микроорганизмов? 5. Что служит источником углерода, азота,
макро- и микроэлементов в питательной среде? 6. Каковы требования, предъявля­
емые к питательному субстрату?
Глава 3
ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Любое микробиологическое производство можно представить в
виде последовательно выполняемых технологических стадий или
этапов. Общими для всех производств являются стадии подготовки
питательной среды, получения посевного материала (маточной
культуры), выращивания производственной культуры в поверхно­
стных или глубинных условиях и выделения конечного продукта.
В каждом конкретном микробиологическом производстве есть
свои отличительные особенности. Они выражаются в составе ис­
пользуемых питательных сред и способах их приготовления, усло­
виях культивирования производственной культуры и методах
выделения конечного продукта. Однако эти особенности не меня­
ют общую схему микробиологического производства.
Для получения биологически активных веществ, синтезируе­
мых нерастущими, частично или полностью дифференцирован­
ными клетками растений, используют культивирование с разделе­
нием стадий роста и синтеза продукта: многостадийное периоди­
ческое и непрерывное культивирование.
3.1. ЗНАЧЕНИЕ АСЕПТИКИ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССАХ
Требование надежной защиты среды, в которой культивируется
производственный штамм микроорганизма-продуцента, от посто­
ронней микрофлоры является одним из основных в биотехноло­
гии. Асептика имеет особенно важное значение для производств
тонкого микробиологического синтеза. Под асептическими усло­
виями культивирования понимается возможность проведения
этого процесса без попадания посторонней микрофлоры. Обеспе­
чение асептических условий в масштабах крупного промышлен­
ного производства — весьма сложная инженерная проблема. В це­
лом она решается двумя путями.
Первый путь заключается в обеспечении технологической ги­
гиены производства. Сюда относится комплекс приемов и средств,
обеспечивающих снижение загрязненности производственной сре­
ды посторонней микрофлорой и препятствующих распростране­
нию микроорганизмов-продуцентов по производственным поме­
щениям и попаданию во внешнюю среду. Второй путь объединяет
комплекс технических решений и методов, имеющих непосред­
ственное отношение к технологии, и заключается в использова­
нии специального технологического оборудования (фильтры,
стерилизаторы) или реализации специфических требований асеп­
тики при создании основного технологического оборудования
(культиваторы), контрольно-измерительных приборов, обвязок
аппаратов и разводок трубопроводов. Конечной целью процессов,
которые осуществляются с помощью этого оборудования, явля­
ется стерилизация, т. е. полное освобождение от всего живого,
всех видов материальных потоков, вводимых в культиватор (аэри­
рующий воздух, питательная среда, пеногасители и др.), и его
внутренних полостей.
Обеспечение стерилизуемости и герметичности аппаратов и трубо­
проводов. Наиболее распространенный метод стерилизации аппа­
ратов и трубопроводов — тепловая обработка насыщенным водя­
ным паром. Этот метод надежнее, экономичнее и удобнее в про­
изводственных условиях, чем обработка химическими средствами.
В некоторых случаях, когда обрабатываемые аппараты, их отдель­
ные узлы или приборы не выдерживают нагрева до требуемых
температур, применяют стерилизацию химическими средствами.
При тепловом методе обработки насыщенным водяным паром
под стерилизуемостью аппаратов и трубопроводов понимается
возможность создания во всех точках внутренних полостей необ­
ходимой температуры и поддержания ее в течение заданного вре­
мени. При этом предполагается, что минимально допустимая тем­
пература в наименее выгодном с точки зрения стерилизации месте
аппарата должна быть выше летальной температуры наиболее тер­
мостойких споровых форм микроорганизмов при приемлемой
продолжительности выдержки. Обычно эта температура лежит в
пределах 115...120 “С при выдержке в течение 1 ч. В качестве тестобьекга можно использовать, например, ВасШиз 51еаго1кегторИИи5.
После того как решена проблема герметизации основного обо­
рудования стадии культивирования, обеспечение асептических
условий зависит главным образом от эффективности уничтожения
посторонней микрофлоры-как внутри аппаратов (до начала про­
цесса), так и во вводимых в ходе культивирования материальных
потоках (питательная среда, различные добавки, пеногаситель,
аэрирующий воздух).
Стерилизация питательных сред. Кроме жидких питательных
сред, исходная бактериальная загрязненность которых достигает
104—106 клеток/см3, на стадии культивирования приходится пери­
одически или непрерывно стерилизовать и вводить в культиватор
(ферментер) жидкие пеногасители и различные растворы для под­
питки (соли, глюкоза) или корректировки рН.
По различным причинам (экономичность, надежность, удоб­
ство в работе, сохранение качества) в микробиологических произ­
водствах в подавляющем большинстве случаев применяют тепло­
вую стерилизацию водяным паром. Реже используют электрона­
грев и лишь для особо термолабильных сред применяют стерили­
зующую фильтрацию.
Тепловую стерилизацию жидких питательных сред осуществ­
ляют циклическим или непрерывным методами. Циклическую
тепловую обработку обычно производят непосредственно в куль­
тиваторе, но возможно и применение специальной емкости. При
циклическом методе одновременно нагревают весь объем среды.
После этого среду выдерживают в течение определенного време­
ни, а затем охлаждают до температуры культивирования.
При циклическом методе стерилизация происходит во время
нагревания и охлаждения, поэтому возможен перегрев отдельных
порций среды и трудно выдерживать и масштабировать режим сте­
рилизации. При стерилизации больших количеств жидкостей цикл
обработки длителен, а в объеме аппарата имеют место значитель­
ные градиенты температур. Поэтому в настоящее время периоди­
ческую тепловую стерилизацию применяют в основном для не­
больших емкостей (колбы, бутыли, аппараты вместимостью до
100—200 дм3). В промышленных масштабах, как правило, применя­
ют непрерывную стерилизацию в специальных установках, включа­
ющих нагреватель, выдерживатель и теплообменник-охладитель.
Непрерывный процесс тепловой обработки питательных сред
позволяет регулировать режим стерилизации (температура и дли­
тельность выдержки) с высокой точностью и рекуперировать теп­
ло. В результате непрерывный способ надежнее и экономичнее,
чем периодический способ тепловой стерилизации. Одно из важ­
нейших преимуществ непрерывного метода стерилизации — более
широкая возможность влияния на качество обрабатываемых сред.
Очистка и стерилизация воздуха. Атмосферный воздух всегда со­
держит мельчайшие твердые или жидкие частицы, несущие раз­
личные микроорганизмы. Размеры этих частиц могут колебаться
от десятых долей микрометра до десятков микрометров, а соотно­
шение между различными фракциями зависит от местных усло­
вий. В любом случае атмосферный воздух является полидисперсным аэрозолем.
Спектр воздушной микрофлоры весьма разнообразен и также
меняется в зависимости от местных условий, но во всех случаях в
воздухе преимущественно сохраняются микроорганизмы, облада­
ющие значительной устойчивостью к высыханию и действию сол­
нечной радиации. Средняя общая исходная концентрация микро­
организмов в атмосферном воздухе может быть принята равной
2 • 103 клеток/м3.
Необходимость тонкой очистки и стерилизации воздуха возни­
кает в микробиологических производствах не только при обеспе­
чении аэрации, но и в некоторых других случаях, например при
очистке воздушных выбросов из технологического оборудования
и производственных помещений, вентиляции стерильных лабо­
раторных помещений, боксов и производственных помещений,
в которых необходимо поддерживать повышенный уровень чис­
тоты для проведения технологических процессов в асептических
условиях.
Основным требованием, предъявляемым к аэрирующему воз­
духу при культивировании, является стерильность, под которой
понимается полное отсутствие микрофлоры. На практике, и осо­
бенно в промышленных условиях, обеспечить так называемую аб­
солютную стерильность (вероятность проникновения микрофло­
ры равна нулю), как правило, не удается. Поскольку проникнове­
ние даже единичного представителя посторонней микрофлоры в
культиватор может привести к браку, допустимая вероятность
проскока, которая устанавливается опытным путем, обычно неве­
лика и составляет 10~3—10-6, т. е. проскок одного микроорганизма
на 103—106 циклов аппарата-культиватора.
Для обеспечения приведенной выше вероятности проникнове­
ния посторонней микрофлоры системы очистки воздуха значение
к о э ф ф и ц и е н т а п р о с к о к а (отношение концентрации мик­
роорганизмов в воздухе после системы очистки к их концентра­
ции в воздухе до очистки, выраженное в процентах) должно ле­
жать в пределах 10-8—10-11 %.
Стерильность воздуха может быть достигнута либо удалением
взвешенных частиц из воздуха методами газовой очистки (меха­
ническими или электрическими), либо уничтожением микроорга­
низмов без удаления их из воздуха.
Атмосферный
Стерильный
воздух
Конденсат
Конденсат
Рис. 3.1. Схема получения, очистки и стерилизации аэрирующего воздуха:
1 — предфильтр грубой очистки; 2 — компрессор; 3 — теплообменник-холодильник; 4 — влагоотделитель; 5 — теплообменник-подогреватель; 6 — головной фильтр; 7 — теплообменникподогреватель; 8 — индивидуальный фильтр тонкой очистки воздуха
В настоящее время наиболее эффективным, экономичным и
универсальным способом тонкой очистки и стерилизации техно­
логического или вентиляционного воздуха является фильтрация
через слои насыпного пористого или волокнистого материалов.
Обычно применяемые фильтры тонкой очистки имеют коэффи­
циенты проскока в пределах до 10-4—10-6 %, что считается прием­
лемым для условий промышленного производства.
Для нужд технологии (главным образом аэрации при культи­
вировании) на современных заводах тонкого микробиологичес­
кого синтеза необходимо получать сотни тысяч кубических метров
в час стерильного воздуха с коэффициентом проскока порядка
10-8—10"" %, с избыточным давлением около 0,2 МПа, темпера­
турой 20...40 “С и влажностью не более 80 %. Последнее требова­
ние связано с использованием на заключительной стадии в каче­
стве основных аппаратов фильтров тонкой очистки.
Существующий уровень развития техники не позволяет полу­
чать в одном аппарате большие массы стерильного аэрирующего
воздуха, отвечающего перечисленным требованиям. Поэтому ис­
пользуют системы из нескольких аппаратов (рис. 3.1).
3.2. КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
3.2.1. ПОЛУЧЕНИЕ ПОСЕВНОГО МАТЕРИАЛА
Для производства посевного материала (маточной культуры)
используют исходный штамм продуцента, получаемый из лабора­
тории чистых культур. Для приготовления необходимого количе­
ства посевного материала на предприятии организуют отделение
чистой культуры, которое ведет постадийное выращивание посев­
ного материала в асептических условиях, гарантирующих развитие
только продуцента и полное отсутствие других микроорганизмов.
В зависимости от вида продуцента, его физиолого-биохимических особенностей приготовление посевного материала (до стадии
производственной ферментации) проходит в несколько этапов:
исходная культура -» выращивание на скошенной агаризованной среде —> пересев и выращивание на качалке в колбах на
жидкой питательной среде (одна-две стадии)
пересев и выра­
щивание в посевных аппаратах (одна—несколько стадий) —>засев
производственной питательной среды и производственная фер­
ментация.
Исходную культуру при оптимальных температурах выращива­
ют в пробирках (рис. 3.2) на скошенной агаризованной питатель­
ной среде. Для микроскопических грибов выращивание длится до
наступления обильного спорообразования (72 —120 ч), для бакте-
от
фильтра
гпч
Посевной
I материал
Рис. 3.2. Аппаратурно-технологическая схема получения глубинного посевного мате­
риала:
1 — качалка; 2 — колбы Эрленмейера; 3 — пробирки с исходной культурой; 4 — матрацы для
исходного продуцента; 5 — фильтр; б — малый инокулятор; 7 — большой инокулятор
риальных и дрожжевых культур наиболее благоприятный возраст
устанавливают экспериментально (в среднем 24—48 ч).
Исходный продуцент из пробирки пересевают на матрацы с
большим количеством агаризованной среды.
Выращенную культуру (1—5 % к объему) стерильно смывают
с поверхности агаризованной среды водой и переносят в колбы
Эрленмейера вместимостью 750 см3, содержащие 50—100 см3 жид­
кой питательной среды. Колбы с засеянной питательной средой
помещают на качалку (120—240 мин-1) при температуре 28...30 "С
и выдерживают в течение 18—144 ч. Выращивание микроорга­
низмов при перемешивании (встряхивании) увеличивает скорость
роста культуры, что связано с интенсификацией массообмена.
Эту стадию выращивания контролируют по морфологическим по­
казателям микроорганизма. Наилучшие результаты дает культура,
которая находится в стадии физиологической зрелости в конце
логарифмической фазы роста. Для повышения титра клеток в
инокуляте и увеличения количества посевного материала культуру
выращивают в несколько стадий.
Готовую культуру стерильно переносят в посевной аппарат
(малый инокулятор) с предварительно простерилизованной пита­
тельной средой. Посевной аппарат оснащен мешалкой, аэрирую­
щим устройством, а также контрольно-измерительной аппарату­
рой для регулирования температуры, рН среды, уровня пенообразования и т.д. Стерильный воздух подается в инокулятор через
индивидуальный фильтр. Готовую культуру из малого инокулятора передавливают стерильным воздухом в большой инокулятор на
свежую питательную среду. Вместимость посевного аппарата мо­
жет быть различной (0,1—10 м3), длительность культивирования
зависит от физиологических особенностей микроорганизма-продуцента, а количество стадий выращивания определяется объемом
производства и нормой расхода посевного материала для каждого
продуцента.
3.2.2. ПОВЕРХНОСТНОЕ И ГЛУБИННОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ
МИКРООРГАНИЗМОВ
В биотехнологии для культивирования микроорганизмов при­
меняют поверхностный и глубинный способы.
При поверхностном способе микроорганизмы культивируют на
твердых средах (увлажненные отруби) или на поверхности жидких
питательных сред. Твердые (сыпучие) среды распределяют слоем
18—20 см в специальных кюветах. Процесс культивирования на­
чинается с засева питательной среды чистой культурой проду­
цента. Засеянная среда выдерживается в растильных камерах при
определенной температуре и аэрации. Процесс заканчивается
накоплением максимального количества продукта (рис. 3.3). По­
верхностный метод выращивания применим только для аэробных
культур.
Глубинный способ выращивания применим как для аэробных,
так и для анаэробных микроорганизмов. Культуры при этом раз­
виваются во всей толще жидкой питательной среды в ферментере
(рис. 3.4).
Глубинный метод выращивания микроорганизмов может быть
периодическим и непрерывным (проточным).
Ферментер (см. рис. 3.4) представляет собой герметичную ем­
кость со сферическими крышкой и днищем. Вместимость аппа­
рата может составлять от 0,01 до 100 м3. Высота ферментера в
2 —2,5 раза превышает его диаметр. Ферментер снабжен термостатирующим, перемешивающим, аэрирующим и регулирующим рН
среды устройствами, оборудован системой подачи питательной
т
т*
«с
о.
о.
о
>*•
гм
Оо
Рис. 3.4. Схема ферментера:
I
I
I — штуцер для слива; 2 — штуцер для отбора
проб; 3 — рубашка; 4 — змеевик; 5 — барботер;
6 — линия подачи титрующего раствора; 7 —
линия подачи пеногасителя; 8 — линия загруз­
ки; 9 — мешалка с приводом; 10 — люк-лаз;
I I — лестница; 12 — отбойник; 13 — опорная
царга («юбка»)
среды, пеногасителя, воды, пара
и т. д. Тепло, выделяемое в пери­
од роста микроорганизмов, от­
водится с помощью различных
теплообменных конструкций: ру­
башек и змеевиков.
Производственное культиви­
рование проводят в стерильных
условиях. Перед заполнением
ферментера питательной средой
его моют, проверяют на герме­
тичность, стерилизуют. Одно­
временно с ферментером паром
стерилизуют также всю систему
трубопроводов. В ферментер, за­
полненный стерильной питатель­
ной средой (объем обычно не
превышает 70 % общего объема
аппарата), вводят посевной мате­
риал. Предварительно температуру
водят до оптимальных для
значений.
Стадия производственного культивирования для большинства
микроорганизмов длится 48—72 ч. Однако имеются бактериаль­
ные культуры, длительность выращивания которых не превышает
24 ч; культивирование некоторых актиномицетов и микроскопи­
ческих грибов длится до 12 сут. На протяжении всего этого перио­
да растущую глубинную культуру необходимо снабжать кислоро­
дом. Микроорганизмы могут использовать только растворенный
кислород. Насыщение питательной среды кислородом воздуха
осуществляют путем аэрации, обеспечивающей контакт между
воздушной
жидкой
Наибольшее распространение в
промышленности получили аэрирующие
барботажного типа
О. гу
/ЯМШЯУЛ» подЭ1/9)7
*п н э !/э д /я д
в и д яш эом дпхс
воняиойПшяий)!
О.
у .2, о
Ь *©•о. «
со
со
о
5
О
о
*
<1>
'б
к
О,
е*>
X
5
:
О
>с
I
V
е
2
о. Щю
§■
«г
*
I
*
I
<г
§
Б
:э
о
о
«\»
О Р> СЗ I
Й § ^
О
О я
К В I
х О
5
* й
>
о
а
5 °° 5
Iаа Н«5 2 I
о
*
0}
I
I
> Я ч/ .•
8.
*Ъ
8
со
I
I
•
Ж
9
I
Ь'
0
со
1
I
I
I
*Ъ
О
1Г)
го
о
*
От
Р О. 0> Р.
5 Р & Л -& I
а ё § §*<*
§
I* <о5 *I N* 5,
3
N 1К% ^
Для успешного выращивания производственных культур боль­
шое значение имеет предотвращение пенообразования. Все фер­
ментеры снабжены устройствами для введения пеногасителя и
контроля высоты пены в аппарате. Для снижения пенообразова­
ния используют химические (растительные и животные масла, раз­
личные силиконы) и механические (циклоны, вращающиеся в верх­
ней части ферментера лопасти) средства пеногашения (рис. 3.5).
В процессе культивирования ведут постоянный контроль за
состоянием культуры и накоплением продуктов биосинтеза, фик­
сируют потребление основных компонентов среды (источников
углерода, азота, фосфора), контролируют рН культуральной жид­
кости.
При периодическом процессе изменяются скорость роста, физиолого-биохимические и морфологические показатели культуры.
Развитие культуры при периодическом способе выращивания на­
чинается с лаг-фазы и заканчивается стационарной фазой или фа­
зой отмирания.
При непрерывном (проточном) культивировании создаются
условия развития культуры, различающиеся по способу поддержа­
ния культуры в динамическом равновесии.
Используют открытые и замкнутые системы непрерывного
культивирования.
В открытых системах клетки микроорганизмов постоянно уда­
ляются с культуральной жидкостью со скоростью образования в
системе новых клеток для достижения их устойчивой концен­
трации.
В замкнутых системах клетки в течение определенного времени
задерживаются в системе и их количество возрастает. В этих усло­
виях большая часть клеток отмирает под действием лимитирую­
щих факторов, и в такой системе невозможно достигнуть динами­
ческого равновесия. Замкнутые системы значительно менее эф­
фективны для осуществления точного регулирования всех условий
культивирования, управления ими и автоматизации процесса, чем
открытые.
Непрерывный процесс может быть гомогенно- и гетерогенно­
непрерывным. При гомогенно-непрерывном процессе в фермен­
тере с интенсивным перемешиванием все параметры (концентра­
ция питательных веществ, скорость роста микроорганизмов) по­
стоянны во времени. При гетерогенно-непрерывном процессе
несколько ферментеров соединяют в батарею. При этом не обес­
печиваются постоянные условия роста клеток, так как в каждом
ферментере поддерживаются свои постоянные условия культиви­
рования, отличающиеся от условий в других ферментерах.
Метод проточного культивирования может быть организован
как процесс полного вытеснения и как процесс полного смешения.
Рис. 3.6. Схема процессов непрерывного культи­
вирования:
а — тубулярный ферментер полного вытеснения; б —
ферментер полного смешения; Щ — концентрация
*
5 ,* ,
субстрата в поступающей среде; 5 — концентрация
субстрата в ферментере; 5 | — концентрация субстрата
в вытекающей среде; Хо — плотность подаваемой по*
пуляции; X — плотность популяции в ферментере;
Х\ — плотность популяции в вытекающей культуре
В процессе полного вытеснения
б
ферментер для выращивания микро­
организмов представляет собой ци­
линдрическую емкость, в которую с одной стороны подаются
питательная среда и посевной материал, а с другой вытекает куль­
туральная жидкость (рис. 3.6). Перемешивание культуры не про­
изводится. Этот процесс применим для культивирования анаэроб­
ных микроорганизмов.
По ходу тубулярного ферментера происходит развитие культу­
ры, выражающееся в использовании субстрата, накоплении био­
массы и продуктов метаболизма, и перед вытеканием культура
находится в состоянии, аналогичном стационарной фазе роста пе­
риодической культуры, т. е. воспроизводится полная кривая рос­
та, но не во времени, а в пространстве. Подобная картина наблю­
дается и в батарее проточных ферментеров.
В процессе полного смешения рост культуры происходит в ем­
кости-ферментере при интенсивном перемешивании, достигаемом
продуванием воздуха и работой мешалки. Во всей массе культуры
создаются одинаковые условия выращивания (гомогенно-непре­
рывный процесс).
При гомогенно-непрерывном процессе в ферментере могут
быть созданы условия, соответствующие любой точке кривой
роста культуры, выращиваемой периодическим способом. В уста­
новившемся режиме удельная скорость протока среды равна
удельной скорости роста культуры. При этом культура находится в
состоянии динамического равновесия и обладает способностью
быстро реагировать на изменение условий.
Хорошо отработанный непрерывный процесс выращивания
экономически выгодно воспроизводить проточным методом куль­
тивирования, так как культура непрерывно находится в состоянии
максимальной активности и не тратится время на подготовку фер­
ментера, его заполнение, слив и на лаг-фазу.
При гомогенно-непрерывном культивировании можно осуще­
ствить недоступное при периодическом культивировании ограни­
чение роста культуры одним элементом питания при нелимитируемых количествах остальных элементов. При медленном протоке
ограничение роста будет сильным, при быстром — слабым. Такое
непрерывное культивирование называется хемостатным (или хе­
мостат), так как рост микроорганизмов регулируют химические
факторы среды.
Хемостатный метод имеет большое число вариантов. Примене­
ние одностадийного культивирования позволяет воспроизвести
любую скорость роста, кроме максимальной. Двухстадийное куль­
тивирование в двух последовательно соединенных ферментерах
позволяет достичь максимальной скорости роста и даже превзой­
ти ее. Для этого в первом ферментере батареи ведется нормальное
культивирование при скорости протока, меньшей максимально
возможной скорости роста в одном аппарате, а во второй подается
культура из первого и свежая питательная среда (рис. 3.7, а).
Максимальная скорость роста культуры может быть достигнута
при турбидостатном культивировании (в режиме турбидостата),
при котором контроль за процессом осуществляется с помощью
измерения концентрации микроорганизмов на выходе из аппарата
и она поддерживается на постоянном уровне за счет изменения
скорости протока питательной среды.
В двухстадийном культивировании можно повысить синтез
вторичных метаболитов (ферментов и др.) по сравнению с одно­
стадийным хемостатным. В первом ферментере ведется выращи­
вание культуры при большой скорости роста, что соответствует
логарифмической фазе периодической культуры. Второй исполькульту
ра, поступающая из первого аппарата, оказ]
медленного роста: скорость роста культуры
5,х.
б
Рис. 3.7. Варианты хемостатного культивирования:
а, б — батареи из двух ферментеров; в — ферментер с возвратом микробной массы; г —фермен­
тер с фильтрующим устройством; 1 — сепаратор; 2 — фильтр; 5о — концентрация субстрата в
поступающей среде; 5 — концентрация субстрата в ферментере; 5| — концентрация субстрата
во втором ферментере; X — плотность популяции в первом ферментере; Х\ — плотность попу­
ляции во втором ферментере; Х% — плотность популяции в вытекающей среде
раз, во сколько второй аппарат содержит больше среды, чем пер­
вый. Это соответствует условиям стационарной фазы.
При низких концентрациях субстрата и невысокой плотности
популяции можно возвратить в ферментер часть клеток вместе с
вытекающей из него культуральной жидкостью, чтобы повысить
концентрацию клеток и ускорить процесс. Существует два вари­
анта возврата: 1) путем сепарирования вытекающей культуры и
подачи в ферментер сгущенной части культуральной жидкости
(рис. 3.7, в); 2) путем установки в ферментере или после него
фильтрующего устройства, задерживающего клетки, но позволяю­
щего удалять культуральную жидкость (рис. 3.7, г). Существуют
методы культивирования, занимающие промежуточное положе­
ние между непрерывными и периодическими:
• отъемно-доливной — среда порциями подается в ферментер и
так же порциями отбирается из него;
• добавление среды к периодической культуре без отбора куль­
туры. Этот метод удлиняет время культивирования, но приводит к
более полному использованию имеющихся в среде элементов пи­
тания и большему выходу продукта.
3.2.3. СПОСОБЫ ВЫРАЩИВАНИЯ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ
В природных условиях клетки растений находятся в тканях и
органах и защищены от механического воздействия внешней сре­
ды. Они нуждаются в различных компонентах минеральной и
органической природы для метаболизма и роста.
В искусственных условиях растительные клетки могут культи­
вироваться как поверхностным, так и глубинным способами. При
глубинном культивировании клеток растений используют те же
методические приемы, что и при культивировании микроорганиз­
мов. Подбор оптимальной питательной среды, массообмен, созда­
ние асептических условий культивирования, контроль протекания
процесса осуществляются аналогично решению этих вопросов в
технологии микробного синтеза (рис. 3.8).
В искусственных условиях растительные клетки культивируют,
как правило, в виде каллуса. Он состоит из дезорганизованной
массы недифференцированных клеток, теоретически способных к
неограниченному росту и образованию метаболитов, характерных
для растения. Каллус можно в дальнейшем культивировать на
твердой среде или использовать для получения суспензии клеток.
Каллусные клетки получают из фрагментов тканей разных ор­
ганов высших растений, помещая кусочки такой ткани в пита­
тельную среду (в пробирках, колбах, на чашках Петри). В природ­
ных условиях каллусная ткань возникает в травмированных местах
для анатомической регенерации пострадавшего органа. От инфек-
Вырезание растительной
ции каллусную ткань в природе
ткани
защищают иммунные механизмы
растения. В искусственных усло­
Перенос
виях необходимо строго соблю­
на питательную
дать асептические условия всеми
среду
доступными средствами. Обычно
эксплантат обрабатывают дезин­
Образование
\
первичного каллуса
фицирующими растворами, а за­
тем отмывают стерильной водой.
Каллис
Среду, посуду и аппаратуру сте­
рилизуют традиционными средст­
1
вами (автоклавирование, ультра­
фильтрация, облучение). Чтобы
Гэмогенизация каллуса
обеспечить развитие каллусных
клеток в средах, содержащих не­
обходимые для роста вещества,
клетки тканей должны терять спо­
125 см Протопласты Органогенез
собность к дифференцировке, че­
му способствует предварительная
Каллус
Регенерирован­
инкубация эксплантатов на среде
ные клетки
без гормонов в течение 3 —6 сут.
Через 4—бнед культивирова­
ния трансплантата возникает
первичныи каллус, который пе­
реносят на свежую питательную
среду. Каллусная ткань, вырос­
шая на поверхности твердой пи­
>50 дм
тательной среды, имеет аморф­
ную структуру и представляет со­ Рис. 3.8. Этапы получения кулыуры кле­
бой массу тонкостенных парен­ ток растений и регенерации целого расте­
ния
из
отдельной
клетки
и
протопласта
химных клеток. По химическому
составу каллусная ткань обычно отличается от соответствующего
органа растений.
После ряда делений каллусные клетки переходят на обычный
для данного растения цикл развития, т. е. начинается их дифференцировка. Этот процесс регулируют гормоны.
Каллусная ткань чрезвычайно гетерогенна. По морфологичес­
ким и биохимическим признакам клеток суспензионная культура,
полученная при культивировании клеток растений глубинным ме­
тодом, более гомогенна, обладает более высокими скоростью рос­
та и адаптивными способностями, чем клетки каллуса. Для куль­
тивирования в глубинных условиях необходимо получить линии
клеток, образующих небольшие агрегаты (по 5—10 клеток). Реко­
мендуется использовать среды, содержащие 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту и не содержащие ионы Са2+. В таких средах круп-
ные агрегаты клеток не образуются. Перед пересевом первичную
культуру фильтруют через сита (нейлоновые, металлические) для
отделения крупных агрегатов каллусной ткани и остатков трансплантата. На образование клеточных агрегатов оказывает также
влияние интенсивность перемешивания среды.
Глубинное культивирование можно осуществить в колбах на
качалке, в специальных сосудах, вращаемых роллерами, и в стеклянных или металлических ферментерах различной конструкции
(с мешалками или барботажного типа). Режим ферментации периодический или непрерывный, главным образом хемостатный.
Растительные клетки растут и размножаются значительно медленнее, чем клетки микроорганизмов. Время их удвоения 1—3 сут.
Процесс культивирования растительных клеток занимает 2—3 нед,
что повышает требования к обеспечению асептических условий.
В настоящее время методом культивирования растительных
клеток получают вещества вторичного метаболизма: алкалоиды,
гликозиды, полисахариды, терпеноиды, полифенолы, эфирные
масла, пигменты, антиканцерогены, ингибиторы пептидной при­
роды и др.
Как в любом биотехнологическом процессе, при получении
метаболитов клеток культивированием важное значение имеет ак­
тивность продуцента. Методами клеточной инженерии было по­
казано, что в ряде случаев метаболиты, активно продуцируемые
растительными клетками, можно получить методом слияния про­
топластов двух исходных растительных клеток. При этом гибрид­
ные клетки продуцируют не только метаболиты исходных расте­
ний, но и совершенно новые. Гибридизацию растительных прото­
пластов успешно осуществляют методом электростимуляции сли­
яния клеток или прямым микроинъецированием ДНК одной
клетки в другую.
Обычно биосинтез этих веществ протекает в фазах замедленно­
го роста и в стационарной. Растительные клетки можно использо­
вать также для трансформации различных органических соедине­
ний.
3.3. ВЫДЕЛЕНИЕ, КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ, ОЧИСТКА И СУШКА
ЦЕЛЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Конечным продуктом стадии культивирования является сус­
пензия микроорганизмов, или так называемая культуральная жид­
кость (КЖ). В подавляющем большинстве культуральная жид­
кость не может быть использована без дальнейшей переработки и
не может храниться длительное время. Накопленный в ней полез­
ный продукт микробиологического синтеза (биомасса, фермент,
|
|
I
1
]
{
'
I
1
витамин и т. д.) необходимо сконцентрировать и выделить. Мето­
ды концентрирования и выделения продуктов микробиологичес­
кого синтеза определяются как свойствами целевых продуктов и
культуральных жидкостей, так и требованиями, которые предъяв­
ляют к конечным формам целевых продуктов.
Культуральные жидкости обычно являются сложными смесями
большого числа компонентов, многие из которых обладают близ­
кими химическими и физико-химическими свойствами. Наряду с
растворенными минеральными солями, углеводами, белками и дру­
гими органическими веществами культуральные жидкости содержат
в значительном количестве ‘полидисперсные коллоидные частицы
и взвеси. Следовательно, они являются не только многокомпонент­
ными растворами, но и суспензиями. Дисперсная фаза этих сус­
пензий состоит из мицелия или клеток, т. е. живой ткани, а также
из остатков неиспользованных твердых частиц питательных сред.
Характерной особенностью культуральных жидкостей является
сравнительно низкое содержание целевых продуктов.
Большинство целевых продуктов микробиологического синте­
за нестабильно и подвержено влиянию различных факторов. Так,
белки (ферменты) исключительно чувствительны к нагреванию,
изменениям рН, а также ко многим другим физическим воздей­
ствиям и химическим агентам.
При выборе метода концентрирования и выделения того или
иного продукта необходимо учитывать следующие факторы:
• свойства культуральной жидкости (в основном физико-химические и физические);
• свойства выделяемого продукта (термолабильность, стойкость
к различным химическим агентам и т. п.);
• требования к конечной форме продукта (степень чистоты и
степень концентрирования)^
• технологические и технико-экономические показатели (вы­
ход, производительность оборудования, необходимость дальнейшей
переработки).
В подавляющем большинстве случаев концентрирование целе­
вых продуктов микробиологического синтеза невозможно без их
выделения и очистки.
Все методы выделения продуктов микробиологического синте­
за из культуральных жидкостей делят на две группы в зависимости
от того, находится ли целевой продукт в нативном растворе или
внутри клеток.
В первом случае используют такие методы, как экстракция,
ионный обмен, адсорбция, кристаллизация. Во втором — более
простые методы: осаждение, фильтрование, центрифугирование.
В случае необходимости применяют последующее выделение био­
логически активного вещества из клетки.
»
.
* 4 » *
•
в
Очень часто применяют комбинацию нескольких методов и в
процессе выделения переводят продукт из растворимой формы в
нерастворимую (или наоборот), иногда по нескольку раз. Как пра­
вило, при выделении растворенных веществ приходится подвер­
гать культуральную жидкость предварительной обработке и очист­
ке с помощью осаждения, фильтрации, центрифугирования и
мембранных методов (электродиализ, ультрафильтрация, микро­
фильтрация).
Технология извлечения растворенных веществ с помощью экс­
тракции, ионного обмена или адсорбции основывается на хими3.1. Наиболее широко применяемые в биотехнологии методы выделения и очистки
продуктов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Дистилляция: превращение продукта в
парообразное состояние и вывод из сис­
темы с последующей конденсацией про­
дукта
Обезвоживание: выпаривание, выпари­
вание с последующей сушкой, сушка
Лиофилизация: замораживание раство­
ра или суспензии клеток и дальнейшая
сублимация в вакууме
Осаждение в виде нерастворимых солей
путем добавления химического осадителя в эквимолярных количествах
Кристаллизация: после предварительной
обработки КЖ, выпаривания и охлажде­
ния
Осаждение: изменение растворимости
вещества (например, белков) путем до­
бавления электролитов* органических
растворителей, специфических флокулянтов и т. д.
Сорбция: ионообменная и аффинная
хроматография и др.
Экстракция: добавление к раствору
экстрагента (растворителя), который
поглощает продукт. Затем эмульсию
разделяют и выделяют целевое вещество
Ультра- и микрофильтрация: обработка
раствора на мембранных фильтрах с оп­
ределенными размерами пор (т. е. фрак­
ционирование веществ по размерам их
молекул)
Растворители (этанол, ацетон,
бутанол)
Концентраты (кормовой кон*
центрат лизина и дрожжи)
Закваски, вакцины, гормоны
и др.
Лимонная, молочная, яблоч­
ная кислоты
Итаконовая, глутаминовая и
другие кислоты
Ферменты и другие белки
Аминокислоты, ферменты,
антибиотики и др.
Антибиотики, витамины и др
Ферменты и другие белки
|Ж
■
Н
[
1
I
[
ческих или физико-химических свойствах данного продукта и
обычно весьма специфична. Такие же методы, как осаждение,
фильтрация, центрифугирование и мембранные, более универсальны и применяются при выделении большинства продуктов
микробиологического синтеза (табл. 3.1).
От метода выделения и концентрирования продукта значитель­
но зависят затраты. Так, термическое обезвоживание всегда обхо­
дится дороже механического. Перспективным методом концент| рирования продукта является мембранное разделение, с помощью
которого концентрирование обходится в 3 раза дешевле, чем сгу­
щение до такой же степени- путем выпаривания. В свою очередь,
обезвоживание на выпарной установке выгоднее, чем сушка. Для
удаления 1 кг воды в конвективных сушилках требуется 1,3 —2 кг
пара, в трехкорпусных вакуум-выпарных установках — всего 0,3 кг.
Щадящими для биологических объектов методами обезвожива­
ния являются лиофилизация и сублимационная сушка. Однако
эти методы очень дорогие. Так, в распылительной сушилке для
удаления из продукта 1 кг воды требуется 2500 кДж энергии, а при
лиофилизации — 6500 кДж.
При производстве органических кислот и аминокислот про­
дукт можно выделить концентрированием КЖ и непосредствен­
ной кристаллизацией, но для этого необходимо, чтобы питатель­
ная среда не содержала много окрашенных и балластных веществ.
Выделение продуктов из КЖ — достаточно дешевый процесс.
Значительно труднее выделить целевой продукт из биомассы, для
этого ее необходимо дезинтегрировать. Известны механические и
ферментативные методы дезинтеграции клеточной массы. Прин­
ципы действия механических дезинтеграторов различны. В про­
мышленности применяют гомогенизаторы-дезинтеграторы с пе­
репадом давления, в которых суспензия клеток продавливается
через клапаны или микрощели под давлением от 30 до 300 кПа.
Производительность таких дезинтеграторов очень велика. В лабо­
раторной практике применяют ультразвуковые установки или
фрикционные со стеклянными микрошариками. В последнем слу­
чае дезинтеграция происходит в течение 1—2 мин при частоте
вращения мешалки 10 000 мин-1 и более. Микрошарики удаляют
центрифугированием.
Клеточные стенки микроорганизмов можно разрушить, ис­
пользуя препараты литических ферментов. Существуют многочис­
ленные схемы выделения биологически активных веществ из био­
массы микроорганизмов, вплоть до кристаллических и гомоген­
ных препаратов. Такие схемы в большинстве своем очень сложны
и сочетают в себе самые различные комбинации методов выделе­
ния и очистки, которые зависят от каждого конкретного целевого
продукта.
Сушка. Большинство продуктов микробиологического син­
теза выпускают в сухом виде с остаточной влажностью не более
5-12%.
Основным промышленным способом получения готовых форм
продуктов микробиологического синтеза в виде сухих порошков
является тепловая сушка.
Выбор метода тепловой сушки и соответствующее аппаратур­
ное оснащение зависят от свойств исходных материалов, которые
обычно имеют вид влажной пасты, густой суспензии или высоко­
концентрированного раствора. К важнейшим свойствам материа­
ла, влияющим на выбор метода сушки, относятся физико-химические (влажность), биологические (термоустойчивость, ксерочувствительность), структурные и теплофизические свойства, а
также химический состав.
По исходному агрегатному состоянию влаги различают сушку
из жидкого состояния и сублимацию — испарение из твердого со­
стояния, минуя жидкое.
По энергетическому признаку, т. е. по способу подвода теплоты,
различают контактную, конвективную и радиационную сушку.
При контактной сушке тепло передается высушиваемому мате­
риалу непосредственно от нагретых поверхностей (плит, вальцов).
При этом испаряющаяся влага переходит в окружающий материал
воздух. Из сушилок, основанных на этом методе, для сушки про­
дуктов микробиологического синтеза применяются одно- и
двухвальцовые сушилки и сушильные шкафы.
При конвективной сушке тепло, необходимое для процесса
сушки, доставляется газообразным сушильным агентом, который
играет роль теплоносителя и среды, в которую переходит влага из
материала. Этот метод широко применяется для сушки продуктов
микробиологического синтеза, и прежде всего в пневматических,
аэрофонтанных, распылительных сушилках, а также в сушилках с
псевдокипящим слоем.
При радиационной сушке инфракрасными лучами теплота пе­
редается от источника энергии (излучателя) электромагнитными
волнами. Температура излучателей обычно составляет от 700 до
2200 °С.
Известны типы сушильных установок, в которых применяются
различные комбинации перечисленных методов нагрева, например,
в сублимационных сушилках используется сочетание контактного
и радиационного способов подвода теплоты.
Большинство продуктов микробиологического синтеза термо­
лабильны, поэтому для их сушки применяют наиболее щадящие
методы. При этом стремятся снизить температуру и время сушки.
В настоящее время для сушки продуктов микробиологического
синтеза наиболее широко используют сушилки, основанные на
конвективном способе подвода теплоты (пневматические, с псевдо­
кипящим слоем, распылительные). Для сушки клеток микроорга­
низмов, некоторых видов ферментов и других термолабильных
продуктов используют сублимационные сушилки.
Контрольные вопросы
1. Каково значение асептики в биотехнологических процессах? 2. Что такое
стерилизация (пастеризация)? Какие методы стерилизации используют в пище­
вой биотехнологии? 3. Какие требования предъявляют к аэрирующему воздуху?
4. По каким критериям оценивают стерильность питательных сред, воздуха?
5. Каковы виды и способы получения посевного материала? 6. Какие способы
культивирования микроорганизмов используют в промышленности для получе­
ния биологически активных веществ? 7. Что такое каллус? 8. Как получить каллусную ткань? 9. Какие методы выделения и очистки целевого продукта исполь­
зуют в биотехнологии? 10. Какие способы сушки продуктов микробного синтеза
используют в промышленности?
Ч асть
II
ФЕРМЕНТНЫЕ ПРЕПАРАТЫ В ПИЩЕВЫХ
ТЕХНОЛОГИЯХ
яв
Ферментами называются органические или биологические ка­
тализаторы, т. е. такие вещества, которые облегчают или ускоряют
течение реакции, не претерпевая при этом существенных изме­
нений.
Производство ферментных препаратов — одно из ведущих на­
правлений в современной биотехнологии, объем продукции кото­
рого постоянно увеличивается, а сфера применения неуклонно
расширяется. Ферментные препараты особенно широко использу­
ют в различных отраслях пищевой промышленности. Они имеют
большое преимущество по сравнению с химическими катализато­
рами, поскольку действуют при нормальном давлении, температу­
ре 20...70 °С, рН 4 —9 и обладают высокой субстратной специфич­
ностью.
• Глава 4
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФЕРМЕНТНЫ Х ПРЕПАРАТАХ
В глубокой древности люди хорошо знали способы приготовле­
ния хлеба, вина, пива, сыра, различных соусов и других продук­
тов, хотя они и не имели никакого представления о микроорга­
низмах и выделяемых ими ферментах, которые играют при этом
главную роль.
Только в начале XIX в. русским ученым академиком К. С. Киргофом впервые был получен жидкий ферментный препарат ами­
лазы из проросшего ячменя и описаны все основные черты фер­
ментативного процесса. Впоследствии многие ученые мира актив­
но изучали свойства ферментов, кинетику их действия на суб­
страт, исследовали микроорганизмы, растения, животные ткани с
целью обнаружения в них ферментов или проявления их дей­
ствия.
Бурное развитие технической микробиологии и биохимии, ус­
пехи научных исследований и открытия в области энзимологии
позволили в течение нескольких десятилетий XX в. значительно
усовершенствовать и интенсифицировать производства, связан­
ные с жизнедеятельностью микроорганизмов.
За последние сорок лет изучено большое количество фермен­
тов, выделенных из животных тканей и растений, а также полу­
ченных с помощью микроорганизмов. Создано специализиро­
ванное производство ферментных препаратов, в основу которого
положено культивирование микроорганизмов — продуцентов
ферментов с применением современных эффективных методов
выделения и очистки целевых ферментов от сопутствующих бал­
ластных веществ.
Согласно принятой в мире классификации и номенклатуре
сейчас идентифицировано около 2000 ферментов (1780 в основ­
ном списке и около 200 в дополнительном). Промышленностью
выпускается около 250 наименований ферментных препаратов,
причем 99 % общей суммы реализации ферментов приходится
только на 18 из них. Судя по объемам производства, основными
из этих ферментов являются: бактериальные и грибные протеазы,
глюкоамилаза, а-амилаза, глюкозоизомераза, пектолитические, целлюлолитические и гемицеллюлазные ферменты, молокосверты­
вающая кислая протеиназа, р-галактозидаза, липазы и некоторые
другие. Наибольшее развитие ферментная промышленность полу­
чила в США, Японии, Англии, ФРГ, Дании, Нидерландах, Фран­
ции. За последние 20 лет ежегодный рост объема производства
ферментных препаратов составлял 8—15%.
В наибольшем объеме выпускаются комплексные препараты
протеаз, широко используемые в синтетических моющих сред­
ствах (СМС), и амилазы, служащие для переработки крахмала.
Эти два вида препаратов составляют до 65 % общего объема вы­
пуска ферментных препаратов за рубежом. Другими крупными
отраслями — потребителями ферментов являются, %: производ­
ство соков и вин — 10; сыроделие — 5; производство спирта — 5;
хлебопечение — 5; пивоварение — 4 и все прочие отрасли — 6.
В нашей стране, помимо использования в СМС и пищевых тех­
нологиях, ферментные препараты будут широко применяться при
приготовлении кормов для сельскохозяйственных животных и
птицы (табл. 4.1).
4.1. Ферменты, используемые в промышленности
Ферменты
1
Действие
I
1
Область
использования
Использование в жидкой
лазы, гемицелл юлазы, цессе стирки для удалены
целлюлазы микробиоло­ жира и белков
гического происхожде­
ния
Производство
СМС, кормов
для животных
и птицы
Грибная а-амилаза,
п роте аза
I идролиз крахмала в муке дл
зования сбраживаемых сахар
Гидролиз белков до пептидов
нокислот
Выпечка хлеба,
производство
сухарей с низ­
ким содержани­
ем белка
Ферменты ячменного
солода
Гидролиз крахмала и белков для об­
разования сбраживаемых сахаров,
аминокислот и пептидов
Производство
пива
Протеазы, глюканазы,
амил о глюкоз идаза
Ограниченный гидролиз полисахари­
дов и белков, усовершенствование
фильтрационного процесса, удаление
мути при хранении низкокалорийно­
го пива
То же
Реннин (сычужный
ферментный препарат),
липазы, лактаза микро­
биологического проис­
хождения
Гидролиз молочного белка в произ­
водстве сыра, быстрое созревание сы­
ра («Рокфор»), разложение лактозы
на глюкозу и галактозу
Переработка мо
л очных продук­
тов
а-Амилаза, глюкоами­
лаза
Гидролиз крахмала до глюкозы и
низкомолекулярных сбраживаемых
сахаров
Переработка
крахмала
Иммобилизованная
форма глюкозоизоме­
разы
Изомеризация глюкозы во фрукто­
зу, сиропы с высоким содержанием
фруктозы
То же
Грибные и бактериаль­ Удаление крахмала из тканей (взамен
ные амилазы
ранее употребляемых химикатов)
Протеолитические фер­ Смягчение кожи и удаление белков
менты из экскрементов
собак и голубей
Трипсин и аналогич­
Гидролиз белков в производстве
ные трипсину фер­
кожи
менты
Ш елкоткацкое
производство
Производство
кожи
То же
исооое положение в общем производстве ферментов занимают
(60 - 70 % о®1® ™ количества белка) ф е ^ м е Г
ные препараты для медицины, аналитических целей и научных
" В ° бЩеМ ° бъеме ™ пУ»аемых препарат™
лад и Г р е м е в
ИХ СЛОЖНа’ ф Ь у е 'г больших затрат материа-
Очевидно в ближайшем будущем существующая ныне тенден­
ция развития производства ферментных препаратов не изменится.
Большое внимание будет уделяться производству технических пре­
паратов промышленного назначения широкого спектра и мало­
тоннажной ферментной продукции высокой чистоты для анали­
тических, диагностических и терапевтических целей.
С диагностической целью определяют активность таких фер­
ментов, как а-амилаза, креатинкиназа, фрукгозодифосфатальдолаза, кислотная и щелочная фосфатазы, лактатдегидрогеназа и др.
Для улучшения действия пищеварительной системы используются
ферменты протеазы, амилазы, целлюлазы, липазы и др.
Помимо традиционных областей применения возрастает по­
требность в ферментных препаратах для очистки сточных вод и
утилизации различных видов отходов. Кроме того, очевидна перс­
пектива использования не только отдельных ферментов, но и их
определенного сочетания, необходимого для конкретной области
применения. Эти препараты получили название мультиэнзимных
комплексов.
4.1. ИСТОЧНИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ
Ферменты присущи всем живым объектам и находятся практи­
чески во всех растениях, животных и микроорганизмах. Однако
биосинтез ферментов связан с обеспечением метаболизма клеток
и строго определяется жизненной потребностью организма, по­
этому большинство объектов не может служить источником полу­
чения ферментных препаратов. Для этого пригодны только не­
которые растительные организмы или отдельные органы и ткани
растений и животных, способные накапливать значительное ко­
личество ферментов.
Растительное сырье. Источником ферментов может быть пророщенное зерно различных злаков (солод). Солод может исполь­
зоваться непосредственно как технический ферментный препарат
или служить исходным материалом для получения очищенных
ферментных препаратов. В тропических и субтропических странах
в качестве сырья для промышленного производства протеазы ис­
пользуют латекс дынного дерева и растений, относящихся к роду
фикусов, листья и побеги инжира, сок зеленой массы ананаса.
Органы и ткани животных. На всех мясоперерабатывающих
комбинатах собирают сырье, содержащее ферменты, консервиру­
ют его и используют для получения ферментных препаратов. Та­
ким сырьем являются поджелудочная железа, слизистые оболочки
желудков и тонких кишок свиней, сычуги крупного рогатого ско­
та, сычужки молочных телят и ягнят, семенники половозрелых жи­
вотных. Поджелудочная железа содержит большое количество
разнообразных ферментов: химотрипсин, коллагеназу, эластазу,
трипсин, амилазу, липазу и др. Слизистая оболочка желудков сви­
ней и сычугов крупного рогатого скота служит источником пеп­
сина и липазы. Из сычужков молочных телят и ягнят получают
реннин (сычужный фермент). Семенники половозрелого скота
содержат фермент гиалуронидазу.
Микроорганизмы. В специально созданных условиях микроор­
ганизмы способны синтезировать огромное количество разнооб­
разных ферментов. Они неприхотливы к составу питательной сре­
ды, легко переключаются с синтеза одного фермента на другой и
имеют сравнительно короткий цикл роста. Для промышленного
получения ферментных препаратов используют как природные
штаммы микроорганизмов, выделенные из естественных объек­
тов, так и мутантные. Продуцентами ферментов могут быть раз­
личные микроорганизмы: бактерии, грибы, дрожжи. Микроор­
ганизмы могут синтезировать одновременно целый комплекс
ферментов, но есть и такие, особенно среди мутантных штаммов,
которые являются моноферментными, т. е. образуют в больших
количествах только один фермент.
4.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ
И ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
По современной классификации все ферменты делят на шесть
основных классов по типу катализируемой реакции: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3)гидролазы; 4)лиазы; 5) изомеразы и
6)лигазы (синтетазы). Большинство промышленно важных фер­
ментов, потребность в которых определяется десятками тысяч
тонн, относятся к третьему классу — гидролазам. Подавляющее
количество препаратов, выпускаемых различными фирмами мира,
являются комплексными, содержащими помимо основного фер­
мента еще значительное количество сопутствующих ферментов и
белков. Поэтому в технологии ферментов препараты чаще класси­
фицируют по основному компоненту в смеси ферментов, присут­
ствующих в данном препарате: амилолитические, протеолитические, липолитические и т. д.
В нашей стране существует определенная система названия
ферментных препаратов, в которой учитываются основной фер­
мент, источник его получения и степень очистки. Наименование
каждого препарата включает сокращенное название основного
фермента, к которому добавляются видовое название продуцента
и суффикс «ин». Например, амилолитические препараты, получа­
емые из культур АзрещШиз огутде и ВасШиз зиЬИИз, называются соот­
ветственно амил-ориз-ин (амилоризин) и амил-о-субтил-ин (амилосубтилин). Далее ставится индексов котором обозначены способ
производства и степень очистки фермента от балластных веществ.
При глубинном способе культивирования после названия ставится
буква Г, а при поверхностном — П. Если это неочищенная культура
продуцента, то далее следует буква X. Между буквами П, Г и X мо­
жет стоять цифра, обозначающая степень чистоты препарата. Ин­
декс 2 обозначает жидкий неочищенный концентрат исходной
культуры; 3 — сухой ферментный препарат, полученный высуши­
ванием путем распыления неочищенного раствора фермента (экс­
тракта из поверхностной культуры или фильтрата культуральной
жидкости); 10 — сухие препараты, полученные осаждением фер­
ментов органическими растворителями или методом высаливания.
Индексы 15, 18, 20 обозначают препараты, частично освобожден­
ные не только от балластных веществ, но и от сопутствующих фер­
ментов. Номенклатура препаратов с индексом выше 20 не исполь­
зуется, поскольку в этих случаях речь идет о высокоочищенных и
даже гомогенных ферментных препаратах, которые именуются в
классификации ферментов. Названия ферментных препаратов за­
рубежных фирм не несут информации о составе и степени очистки,
например, Церемикс, Ультрафло (фирма «Новозаймс», Дания).
4.2.1. ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ
К этому классу относятся ферменты, катализирующие окисли­
тельно-восстановительные реакции. Эти ферменты участвуют в
биологическом окислении и восстановлении и, следовательно,
связаны с процессами дыхания и брожения. К оксидоредуктазам
относятся различные дегидрогеназы, оксидазы, пероксидазы, гид­
роксилазы.
Дегидрогеназы (осуществляют процесс дегидрирования — от­
щепление ионов водорода), в свою очередь, делятся на никотинамидные и флавиннуклеотидныё. Никотинамидные дегидрогеназы
активируют водород субстратов или метаболитов и катализируют
его перенос на акцепторы или переносчики, отличные от молеку­
лярного кислорода. Это анаэробные дегидрогеназы. Схема дейст­
вия этих ферментов может быть представлена в следующем виде:
Субстрат + N А ^(N А ^Р)
Окисленный субстрат +
+ ИАОНг^АОРНг)
Коферментами, которые переносят из субстрата водород, явля­
ются никотинамидадениндинуклеотид (1ЧАО) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (ЫАЭР).
Флавиннуклеотидные дегидрогеназы очень часто являются ак­
цепторами водорода восстановленных никотинамиднуклеотидных
дегидрогеназ, которые при этом снова окисляются:
N ^ 1 1 2 + Флавопротеид (РАО) <-> N А ^ + Восстановленный
флавопротеид (РАОН2)
Некоторые из этих дегидрогеназ могут переносить водород от
субстратов непосредственно к кислороду.
Поведение некоторых оксидоредуктаз хорошо исследовано при
производстве пива; в процессе окисления они влияют на феноль­
ные вещества солода и пива (которые определяют цвет, стабиль­
ность). Полифенолокеидазы — это оксидазы со смешанными функ­
циями, у которых продукт окисления — дифенол — одновременно
играет роль донора водорода. Определенная часть полифенолоксидаз окисляет дифенолы.
Пероксидазы действуют на пероксид водорода или органичес­
кие пероксиды, расщепляя их. При этом обязательно должен при­
сутствовать донор водорода, например фенол или ароматические
амины, а пероксид водорода играет роль акцептора.
Каталаза, например, разлагает пероксид водорода на воду и
кислород и катализирует окисление Н-доноров (метанол, этанол,
муравьиная кислота, фенолы) с потреблением пероксида водорода:
2 н 2о 2
.Каталаза
Н20 2 + С2Н5ОН—^
+ ^
иза >2Н20 + СН3СНО
4.2.2. ТРАНСФЕРАЗЫ
К этому классу ферментов относятся биокатализаторы, перено­
сящие ту или иную группу, например метальную или гликозильную, от одного соединения (которое рассматривается как донор
группы) к другому соединению (которое рассматривается как ак­
цептор).
Реакции, катализируемые трансферазами, в общем виде пред­
ставляют следующим образом:
Д - К + А <-> Д + К -А ,
где Д — донор; К. — переносимый радикал; А — акцептор.
К этим ферментам относятся гликозилтрансферазы и фосфотрансферазы.
Г л и к о з и л т р а н с ф е р а з ы — ферменты, которые катализи­
руют синтез таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, декстран, леван, сахароза.
Ф о с ф о т р а н с ф е р а з ы — ферменты, которые катализируют
перенос богатых энергией (макроэргических) фосфатных остат­
ков. Перенос макроэргических остатков производится только в
присутствии аденозинтрифосфата (АТР) в качестве донора и аденозиндифосфата (АОР) или аденозинмонофосфата (АМР) в каче­
стве акцептора.
АТР и АОР в организме (например, дрожжей) являются источ­
ником «активного фосфата». В АТР из имеющихся двух макроэр­
гических связей используется только одна концевая, а другие свя­
зи могут использоваться только после перевода в концевую макроэргическую связь АТР:
АОР + АБР о АМР + АТР
Под действием фосфотрансфераз осуществляется перенос ос­
татков фосфорной кислоты от аденозинтрифосфата на глюкозу
или фруктозу. В этом случае образуются аденозиндифосфат и фос­
форный эфир соответствующего сахара:
АТР + Глюкоза ■ фосФотранр^ераза >Глюкозо-6-фосфат+АОР
Полученный таким образом глюкозо-6-фосфат может затем
под действием фосфотрансферазы присоединять еще один оста­
ток фосфорной кислоты, получив его от новой молекулы адено­
зинтрифосфата:
АТР + Глюкозо-6-фосфат—фосФ°тРансФеРаза >Глюкозо -1,6 - дифос фат + АОР
Фосфотрансфераза, под действием которой происходит обра­
зование гексозомонофосфата из гексозы и аденозинтрифосфата,
называется гексокиназой, а фермент, катализирующий образование
из гексозомонофосфата гексозодифосфата, — фосфогексокиназой.
Гексокиназа и фосфогексокиназа содержатся в дрожжах и играют
важную роль в начальных реакциях спиртового брожения.
4.2.3. ГИДРОЛАЗЫ
К классу гидролаз относятся многие ферменты, входящие в со­
став ферментных препаратов, выпускаемых отечественной про­
мышленностью. Гидролазы катализируют реакции присоединения
или отщепления воды (гидротазы и дегидротазы).
Наибольший интерес для специалистов в области пищевой
биотехнологии представляют три подкласса ферментов класса
гидролаз: эстеразы, гликозидазы и протеазы.
Эстеразы. В эту группу включен ряд ферментов, обладающих
сравнительно широкой специфичностью. Эти ферменты, катали­
зируя разрыв эфирных связей, гидролизуют очень большое число
различных эфиров, хотя и не с одинаковой скоростью.
Наиболее широко применяется в производстве соков, исполь­
зуемых для безалкогольных напитков, фермент п е к т и н э с т е р а з а (ПЭ), который, действуя на пектин, гидролизует его слож­
ноэфирные связи, в результате чего от него отщепляется метило­
вый спирт по схеме, приведенной на рисунке 4.1.
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 4.1. Схема действия пектинэстеразы на пектин
Данный фермент в больших количествах содержится в таких
препаратах, выпускаемых отечественной ферментной промыш­
ленностью, как Пектаваморин, Пектофоетидин и Ксилоглюканофоетидин.
Ф о с ф а т а з ы . Фосфомоноэстеразы и фосфодиэстеразы отно­
сятся к ферментам со сравнительно широкой специфичностью. Но
в этой группе находятся также ферменты с узкой специфичностью.
Фермент фитаза катализирует гидролиз фитина по уравнению
С6Н6(0Н 2Р 0 3)б + 6Н20 -» С6Н 120 6 + 6Н 3РО4
Ф итин
И нозит
Фитаза содержится в относительно большом количестве в яч­
менном солоде. Фитаза отщепляет от фитина фосфорную кислоту,
и при этом образуется инозит. Фосфорная кислота проявляет свое
действие при брожении, а инозит способствует росту дрожжевых
клеток.
Гликозидазы. К этой группе относятся ферменты, гидролизу­
ющие не только истинные гликозиды, но и И-гликозильные, а
также 5-гликозильные соединения. В подгруппу истинных гликозидаз включены ферменты, действующие на простые гликозиды
(например, р-глюкозидаза — фермент, содержащийся в таких оте­
чественных препаратах, как Ксилоглюканофоетидин, Пектавамо­
рин, Пектофоетидин). В эту же группу включены также амилазы,
гидролизующие гликозидные связи в крахмале.
Гидролиз крахмала катализируют ферменты из группы гликозидаз при участии ферментов из группы трансгликозидаз. К фер­
ментам первой группы относятся а- и (3-амилазы, а также глюко­
амилаза, которые разрывают молекулу крахмала гидролизом а-гликозидных связей. Равновесие этих реакций в основном сдвинуто в
сторону гидролиза, поэтому они практически необратимы.
а - А м и л а з а — эндоамилаза, вызывающая гидролитическое
расщепление а - 1,4-гликозидных связей внутри высокополимеризованного субстрата. Схему гидролиза под действием а-амилазы
можно записать следующим образом:
Крахмал——----- а-Декстрины + Мальтоза + Глюкоза
(гликоген)
(много)
(мало)
(мало)
а-Амилаза содержится в больших количествах в таких отечест­
венных ферментных препаратах, как Амилосубтилин и Амилоризин. При этом Амилосубтилин содержит главным образом а-амилазу разжижающего действия, а Амилоризин — осахаривающего.
(3-Амилаза катализирует гидролиз крахмала до мальтозы.
Это экзофермент концевого действия, проявляющий сродство к
предпоследней а-1,4-связи с нередуцирующего конца амилозы
линейного участка амилопектина. Действие р-амилазы на крахмал
можно изобразить в виде следующей схемы:
Крахмал
(гликоген)
а-Амилаза
>Р-Декстрин + Мальтоза
( 4 2 -4 6 % )
(54-58%)
Г л ю к о а м и л а з а отщепляет одиночные остатки глюкозы от
нередуцирующего конца цепей крахмала, гликогена и некоторых
продуктов их гидролиза. Данный фермент содержится в таком
ферментном препарате, как Глюкаваморин, и в небольших коли­
чествах в ферментном препарате Амилоризин.
Р - Г л ю к а н а з а гидролизует Р-1,4-глюкановые связи в целлю­
лозе и р-глюкане. Этот фермент содержится в значительных коли­
чествах в ферментных препаратах Амилосубтилин, Ксилоглюканофоетидин, Цитороземий, Пектофоетидин, Пектаваморин, Целловиридин.
К с и л а н а з а гидролизуетр-1,4- и р-1,3-ксилановые связи. Этот
фермент содержится в препаратах Ксилоглюканофоетидин, Ксилонигрин, Пектаваморин, Пектофоетидин.
Ц е л л о б и о г и д р о л а з ы гидролизуют целлюлозу, отщепляя
с нередуцирующих концов ангидроглюкозных цепей Р-1,4-глюканов целлобиозу. Данные ферменты содержатся в таких препаратах
как Целлокандин и Целловиридин.
Р - Г л ю к о з и д а з а гидролизует р-глюкозидную связь в ди­
сахаридах и глюкозидах. Тождествен ферменту мальтазе. В ре­
зультате действия этого фермента на мальтозу образуются две
молекулы глюкозы. Фермент содержится в солоде и в препарате
Глюкаваморин.
Р-Г а л а к т о з и д а з а (лактаза) гидролизует лактозу с образова­
нием глюкозы и галактозы, содержится в так называемых лактозных дрожжах и препарате Лактоканесцин.
Р - Ф р у к т о ф у р а н о з и д а з а (сахараза, инвертаза) гидроли­
зует сахарозу с образованием глюкозы и фруктозы, содержится в
дрожжах, в том числе в пивных.
Протеазы. До недавнего времени считалось, что протеазы
включают протеиназы и пептидазы, причем протеиназы расщеп­
ляют только крупные молекулы, тогда как пептидазы — в основ­
ном мелкие молекулы азотистых веществ. В настоящее время про­
теазы разделяют на две группы. Для одной группы ферментов
присутствие примыкающих концевых карбоксильных или аминных групп необязательно, для другой группы — необходимо.
Ферменты первой группы — э н д о п е п т и д а з ы — могут дей­
ствовать на центральные участки пептидной цепи и расщеплять
молекулы белка на более мелкие фрагменты, небольшие пептиды
они гидролизуют только тогда, когда их концевые группы искус­
ственно блокированы химическим путем. Э к з о п е п т и д а з ы не
гидролизуют пептидные связи, находящиеся в середине цепи, а
действуют либо с карбоксильного, либо с аминного конца цепи,
отщепляя последовательно одну за другой концевые аминокислоты.
Расщепляя белок, эндо- и экзопептидазы действуют согласо­
ванно: первые образуют большое число свободных концов, а вто­
рые воздействуют на образовавшиеся фрагменты. Эндопептидазы
содержатся в ряде отечественных препаратов, таких, как Протосубтилин (щелочная протеаза), Амилосубтилин, Протомезентерин;
экзопептидазы — в таких, как Амилоризин, Пектаваморин, Пек­
тофоетидин, Ксилоглюканофоетидин.
4.2.4. ЛИАЗЫ
.? %
.
.. / . - ц м , ,
Т |
А
•
. ;
!.
^
Т
''ЙГ.ЙГ
А
И*
К данному классу относятся ферменты, разрывающие связи
С—С, С—О, С—N и др. в результате реакции элиминирования,
что приводит к образованию двойных связей, или, наоборот, при­
соединяющие определенные группы по двойным связям.
Карбоксилазы. Эти ферменты катализируют отщепление С 0 2 от
молекул амино- и оксикислот или его фиксацию:
К -С Н 2-С О О Н -> К -С Н з + с о 2
П и р у в а т д е к а р б о к с и л а з а , или карбоксилаза (карбоксилаза-2-оксикислота), катализирует важную реакцию при спирто­
вом брожении — расщепление пировиноградной кислоты на ацет-
альдегид и С 02. Равновесие реакции сильно сдвинуто в сторону
декарбоксилирования:
С Н з-С О -С О О Н -> С 02 + СНз-СОН
Этот фермент содержится в дрожжах.
Гидролиазы. Эти ферменты катализируют отщепление или при­
соединение воды (прежнее название — дегидратазы и гидратазы).
В данном случае не происходит гидролиз, поскольку субстрат не
расщепляется на два компонента, как при реакциях, катализируе­
мых гидролазами.
Карбонатгидролиаза. Этот фермент катализирует расщепление
угольной кислоты на воду и диоксид углерода, содержится в
дрожжах.
Ферменты группы лиаз, в частности пектатгрансэлиминаза, со­
держатся в таких отечественных препаратах, как Пектоклостридин
и Мацеробациллин.
Щ1'' у й
4.2.5. ИЗОМЕРАЗЫ
Изомеразы — ферменты, катализирующие изменение геомет­
рической или пространственной конфигурации молекулы. Фер­
менты данного класса осуществляют рацемизацию аминокислот
или эпимеризацию углеводов.
Р а ц е м а з ы обусловливают образование оптически активных
метаболитов (оптических антиподов). В случае, когда они осуще­
ствляют Э- Ь-превращение субстратов с большим числом асим­
метрических атомов углерода, их называют э п и м е р а з а м и .
Многие из них содержат в качестве кофермента пиридоксальфосфат. Для пищевой промышленности весьма важным является фер­
мент глюкозоизомераза, превращающий глюкозу во фруктозу.
4.2.6. ЛИГАЗЫ
Ферменты этого класса катализируют соединение двух моле­
кул. Процесс этот сопряжен с разрывом пирофосфатной связи в
молекуле АТР. Энергия, высвобождаемая при расщеплении, ис­
пользуется для синтеза.
Лигазы (синтетазы) катализируют синтез новых продуктов с
образованием связи атома углерода с атомами кислорода, серы,
азота или углерода. Лигазы, катализирующие образование связей
С—О, обусловливают взаимодействие аминокислот с соответству­
ющей транспортной рибонуклеиновой кислотой 5-РНК и уча­
ствуют в синтезе белковых веществ.
Лигазы, катализирующие образование связей С—N. играют
важную роль в превращении азотистых веществ (амид- и пептидси нтетазы).
Лигазы катализируют образование связей С—С в реакциях та­
ких веществ, как кетокислоты и ацилкоферменты, с диоксидом
углерода. В результате реакции возникает новая карбоксильная
группа. В данном случае коферментом является биотин.
Лигазы, катализирующие образование связей С—5, чаще всего
осуществляют синтез ацилкофермента из соответствующих кислот
при участии АТР и кофермента А
4.3. ХАРАКТЕРИСТИКА АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТНЫХ
ПРЕПАРАТОВ
Ферменты являются веществами белковой природы, поэтому в
смеси с другими белками определить их количество невозможно.
Наличие определенного фермента в данном препарате может быть
установлено по результатам той реакции, которую катализирует
фермент, т. е. по количеству образовавшихся продуктов реакции
или уменьшению исходного субстрата. В количественном выраже­
нии активность фермента условно определяют по начальной ско­
рости ферментативной реакции. Начальная скорость зависит от
многих факторов, наиболее важные из них — температура, кон­
центрация субстрата, рН реакционной смеси и время от начала
реакции. Поэтому по предложению Комиссии по ферментам
Международного биохимического союза были приняты правила
определения активностей препаратов и их выражения в единицах
активности.
Стандартная единица активности. Эта величина для любого фер­
мента обозначает то количество его, которое катализирует превра­
щение 1 мкмоль субстрата в 1 мин при заданных регламентирован­
ных условиях. Часто количество субстрата нельзя выразить числом
микромолей, так как точно неизвестна масса молекулы, например
при действии на белок, крахмал, пектин, целлюлозу. В этих случа­
ях определяют микроэквивалент затронутых реакцией групп. Так,
при гидролизе белка учитывают не число прогидролизованных
молекул, а число образовавшихся свободных карбоксильных или
аминных групп, т. е. число расщепленных пептидных связей; при
гидролизе крахмала и полисахаридов — число прогидролизован­
ных гликозидных связей и т. д.
Комиссия по ферментам рекомендовала придерживаться опре­
деленных условий при установлении активности фермента: ста­
раться вести реакцию при температуре 30 °С и определять акгив-
► ность по начальной скорости реакции, когда концентрация суб­
страта достаточна для насыщения фермента и соответствует кине­
тике реакции нулевого порядка. Для данного фермента выбирают
оптимальные концентрации субстрата, фермента и рН.
Активность ферментных препаратов. Содержание фермента в дан­
ном препарате условно выражают в стандартных единицах актив­
ности фермента на 1 см3 ферментного раствора или 1 г препарата.
Активность ферментного препарата выражают в микромолях суб­
страта, прореагировавшего в присутствии 1 см3 ферментного рас­
твора или 1 г препарата в заданных условиях за 1 мин. Число
микромолей и будет равно числу стандартных единиц. При го­
могенности фермента его у д е л ь н у ю а к т и в н о с т ь можно
выразить в стандартных единицах на 1 мг фермента; если фермент
содержит балласт в виде неактивного белка, то его удельную ак­
тивность выражают в стандартных единицах на 1 мг белка в фер­
ментном препарате.
М о л е к у л я р н а я а к т и в н о с т ь представляет собой число
миллимолей субстрата или эквивалентов затронутой реакцией
групп, прореагировавших в течение 1 мин с 1 ммоль фермента при
оптимальных концентрациях субстрата, или число стандартных
единиц, содержащихся в 1 ммоль фермента.
Если фермент содержит характерную простетическую группу
или несколько каталитических центров, которые поддаются изме­
рению, его активность можно выразить в величине активности
каталитического центра. Такая активность будет соответствовать
молекулярной активности, если молекула фермента имеет один
активный центр; если же число каталитических центров п, то ак­
тивность одного центра будет в п раз меньше молекулярной.
4.4. СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
В отличие от обычных химических катализаторов ферменты
ускоряют реакции во много раз. В то время как химические ката­
лизаторы работают при повышенных температурах и давлении,
ферменты активны при нормальном давлении и, как правило, в
пределах температур 40...70°С, характерных для технологических
процессов в пищевой промышленности.
Специфичность действия. Фермент действует на определенное
вещество, не затрагивая другие, что весьма ценно для создания
разных технологий, особенно направленных на переработку сель­
скохозяйственного сырья и получение пищевых продуктов. Хими­
чески чистые ферменты различаются по числу и виду субстратов, с
которыми они могут взаимодействовать. По этим свойствам фер­
менты можно разделить на четыре группы специфичности.
Ф е р м е н т ы п е р в о й г р у п п ы катализируют реакции толь­
ко с одним конкретным субстратом и не действуют даже на его
ближайшие аналоги. Такие ферменты некоторые исследователи
называют абсолютными (например, уреаза, расщепляющая моче­
вину на аммиак и воду).
Ф е р м е н т ы в т о р о й г р у п п ы реагируют с одним типом
оптического изомера, но иногда катализируют реакции с участием
серии родственных соединений с аналогичной конфигурацией.
Примером могут служить протеолитические ферменты, гидроли­
зующие пептидные связи в белках и других азотистых соединени­
ях. Эту группу ферментов относят к стереоспецифическим.
Ф е р м е н т ы т р е т ь е й г р у п п ы катализируют реакции с
субстратами, имеющими определенный тип химической связи,
почти независимо от ассоциируемых групп. Примером могут слу­
жить липазы и фосфатазы. Первые гидролизуют многие органи­
ческие эфиры, а вторые расщепляют сложные эфиры фосфорной
кислоты на спирт и кислоту. Эти ферменты обладают специфично­
стью по типу разрываемой связи.
Ф е р м е н т ы ч е т в е р т о й г р у п п ы осуществляют реакцию
в том случае, когда в непосредственной близости от центра реак­
ции имеется специфическая группа.
Способность катализировать протекание реакции в определенных
условиях. Окислительно-восстановительный потенциал субстрата
влияет на активность ферментов. Для различных ферментов ха­
рактерна значительная разница в оптимальных значениях рН.
Так, например, кислотоустойчивая протеаза гриба Азрег%Шиз/оеН<1из26 в препарате Пектофоетидин П10Х имеет оптимум рН в пре­
делах 4 —4,5, нейтральная протеаза бактерий ВасШиз зиЫШз 103 в
препарате Протосубтилин Г10Х — в пределах рН 6—6,5, а щелоче­
устойчивая пептидаза бактерий ВасШиз зиЫШз 72 в препарате Про­
тосубтилин Г10Х (щелочная протеаза) — в пределах рН 8—9,5.
Механизм действия ферментов заключается в том, что молекула
фермента образует временный комплекс с одной или несколькими
молекулами субстрата. Далее этот комплекс распадается на раз­
личные фрагменты, одним из которых является, как правило, сво­
бодный фермент, готовый принять участие в дальнейшей реакции.
В большинстве случаев ферменты требуют присутствия других
соединений, называемых кофакторами, коферментами, активато­
рами или, если они прочно связаны с белковой частью молекулы
фермента, простетическими группами. К о ф а к т о р ы п о д р а з ­
д е л я ю т на ч е т ы р е г р у п п ы : ионы металлов, комплексные
органические или металлоорганические соединения, комплексные
металлоорганические структуры, витамины группы В.
Некоторые элементы и микроэлементы могут быть активатора­
ми различных ферментов, причем они могут действовать только в
определенных оптимальных концентрациях, избыток ионов мо­
жет значительно снижать активность фермента, главным образом
в тех случаях, когда применяются ионы тяжелых металлов. Поэто­
му загрязнение сырья и оборудования неорганическими вещества­
ми может привести к нежелательным результатам, если микро­
организмы продуцируют целый ряд различных ферментов. Это
также относится и к ряду металлов, из которых изготовляют обо­
рудование.
Оборудование из обычных марок черных сталей, используемое
для процессов ферментации, подвергается сильному корродирова­
нию. Это приводит не только к преждевременному износу аппара­
туры, но и к ингибированию целого ряда ферментов под действи­
ем повышенного количества ионов металлов, выщелачиваемых с
поверхности оборудования. Поэтому необходимо тщательно вы­
бирать материалы для оборудования, особенно для ферментеров.
Значения молекулярных масс ферментов колеблются в широ­
ких пределах: от 104 до 106. Мелкие молекулы относительно ста­
бильны. Значительное количество ферментов образуют монодисперсные растворы, однако иногда молекулы ферментов с большой
молекулярной массой претерпевают обратимую спонтанную дис­
социацию на две или четыре эквивалентные части. Нередко пре­
параты ферментов, выделенные из двух разных источников, по­
добны один другому, но не тождественны.
4.5. СТАБИЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ ПУТЕМ ИММОБИЛИЗАЦИИ
В живых системах ферменты способны длительно работать без
потери активности. В искусственных условиях ферментные пре­
параты после одноразового использования обычно инактивируют­
ся, при этом обрабатываемый материал загрязняется препаратом.
Поэтому были созданы новые формы ферментных препаратов
многократного использования. Наибольшее распространение по­
лучили препараты, в которых ферменты в активной форме при­
креплены к нерастворимой основе. Такие ферментные препара­
ты называются в литературе по-разному: связанные, пришитые,
фиксированные, матрицированные, прикрепленные, но чаще все­
го их называют иммобилизованными. И м м о б и л и з о в а н н ы й
ф е р м е н т н ы й п р е п а р а т — это единая система, которая со­
стоит из трех частей: фермента, носителя и связующего их звена.
Для иммобилизации ферментов большое значение имеют при­
рода функциональных групп белка; характер реакций, которые
они катализируют; положение активного центра; наличие или от­
сутствие простетической группы, небелкового фрагмента и т.д.
Некоторые группы белка особенно легко подвергаются химичес­
ким превращениям. Например, остатки тирозина легко атакуются
электрофильными реагентами и вступают в реакции азосочета­
ния, галоидирования, нитрования и др.; остатки метионина и дисульфидные группы легко подвергаются окислительно-восстано­
вительным превращениям.'
Условно реакции модификации функциональных групп белка
можно разделить на реакции замещения, присоединения и отщеп­
ления. Для иммобилизации ферментов имеют значение реакции
присоединения по карбоксильным группам реагента или белка,
реакции замещения; по типу превращений можно различать реак­
ции ацилирования, алкилирования, конденсации, окисления-вос­
становления, азосочетания и т. д.
Все носители подразделяют на две группы: органические поли­
мерные и неорганические носители.
Носитель имеет очень большое значение для успешной иммо­
билизации ферментов. К носителям предъявляются определенные
требования: нерастворимость в реакционной среде; иной заряд,
чем у фермента; высокая гидрофильность; химическая, биологи­
ческая стойкость; механическая прочность; отсутствие способно­
сти к неспецифической адсорбции и сильным конформационным
изменениям молекулы белка; способность гранулироваться и ак­
тивироваться. Носители для иммобилизации могут иметь зернис­
тую структуру, могут быть выполнены в виде волокон, пленок,
полых трубок, мембран.
Органические полимерные носители. Они разделяются на при­
родные и синтетические. Природные носители бывают полисаха­
ридные и белковые. Синтетические полимерные носители подраз­
деляются на полиметиленовые, полиамидные и полиэфирные.
Основой природных полисахаридных носителей могут быть
целлюлоза, декстран, агароза, губчатый крахмал, хитин и другие
полисахариды.
В качестве носителей ферментов можно использовать белки.
Но они подвержены микробному воздействию и вызывают им­
мунную реакцию. Исключением является только коллаген, обра­
ботанный танином. В качестве белковых носителей применяют
коллаген, его модифицированные формы, желатин, кератин, не­
растворимые глобулины хлопчатника и некоторые другие белки.
Синтетические полимерные носители используют для иммо­
билизации ферментов методами адсорбции, включения в гель, ко­
валентного связывания и микрокапсулирования. Для процессов
адсорбции их применяют в виде макро- и микропористых матери­
алов. Чаще всего используют ионообменники типа дауэкса и амберлита, представляющие собой сополимеры стирола и дивинилбензола в форме гранул. Для иммобилизации ферментов в гель
чаще используют носители на основе полиакриламида, гели поли­
винилового спирта и других полимеров (сополимеры этилгликольметакрилата, диметакрилата и т. д.) — реже.
Существует очень много синтетических полимерных носителей.
Неорганические носители. В эту группу носителей входят: син­
тетические кремнеземные сорбенты, металлы и их оксиды, нержа­
веющая сталь, различные виды глин, керамики и природные ми­
нералы. Неорганические носители обладают рядом неоспоримых
достоинств. Они легко регенерируются, им можно придать любой
вид (порошки, шарики, частицы неправильной формы, пористый
материал или монолит, образующий многоканальную систему).
Сшивающие агенты. Для иммобилизации используют очень ши­
рокий круг различных агентов, пригодных для активации поли­
мерных носителей, непосредственной конденсации белков на но­
сителях, содержащих различные функциональные группы.
Наиболее широко для иммобилизации ферментов используют
следующие сшивающие соединения: глутаровый альдегид, изоксалевые соли, галогенцианы (чаще бромциан), 1,6-гексаметилендиамин, изоцианиды, карбодиимиды, карбонилдиимидазол, л-нитробензоилхлорид, ненасыщенные сульфоны.
Способы иммобилизации ферментов. Их можно подразделить на
две большие группы: химические и физические, т. е. с образовани­
ем ковалентных связей и без их участия.
Ф и з и ч е с к и е м е т о д ы заключаются в связывании фермен­
та без участия ковалентных связей. Они подразделяются на два
типа: адсорбционные и механические. При адсорбционной иммоби­
лизации фермент удерживается на поверхности носителя с помо­
щью электростатических, гидрофобных, водородных связей, а
также в силу дисперсионных взаимодействий. При механической
иммобилизации производят включение фермента в гели, сшитые
поперечными связями, заключение фермента в микрокапсулы,
волокна, мембраны и т.д. Все физические методы иммобилиза­
ции достаточно просты, быстры и эффективны.
К х и м и ч е с к и м м е т о д а м иммобилизации относят иммо­
билизацию ферментов путем ковалентного сшивания с полимер­
ным носителем и поперечного сшивания ковалентными связями
молекул белка без носителя (используется редко). Химический
способ является основным способом получения иммобилизован­
ных ферментных препаратов. К преимуществам таких препаратов
относятся: их стабильность, невымываемость ферментов, умень­
шение отрицательного влияния матрицы. Существенный недоста­
ток этого способа — значительная инактивация фермента, что
случается достаточно часто.
Один из перспективных путей создания высокоактивных полиферментных систем — иммобилизация клеток микроорганизмов,
но пока он развивается медленно.
Иммобилизованные ферменты по своим свойствам отличаются
от нативных, поскольку в результате иммобилизации в той или
иной степени изменяется пространственная структура белковой
молекулы.
Активность иммобилизованных ферментов в пересчете на 1 мг
белка в подавляющем большинстве случаев падает за счет диффу­
зионного сопротивления, экранирования активного центра, конформационных изменений молекулы и т.д. Иммобилизованные
ферменты проявляют большее сродство к низкомолекулярным суб­
стратам. В то же время иммобилизация часто способствует повыше­
нию стабильности фермента в более широкой зоне рН и температу­
ры, устойчивости к действию ингибиторов, что очень важно при
длительном использовании ферментов. Оптимальные рН и темпе­
ратура иммобилизованных ферментов почти не меняются, энергия
активации ферментативных реакций также остается неизменной.
4.6. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ И КИНЕТИКА
ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ
Тысячи различных ферментативных реакций протекают в клет­
ке согласованно и одновременно. Эти реакции могут происходить
лишь в тех случаях, когда ферменты способны «узнавать» свой
субстрат. Это свойство во многом определяет так называемый
принцип «ключа и замка». Например, фермент глюкозооксидаза
из нескольких сахаров в среде «узнает» свой субстрат — глюкозу и
кислород; в результате образуется фермент-субстратный комплекс
из этих двух субстратов, а затем — продукты (глюконолактон и
пероксид водорода). В этом случае можно говорить о высокой суб­
стратной специфичности фермента. Однако в процессе эволюции
возникли менее специфичные ферменты, например пепсин, кото­
рый расщепляет в пищеварительном тракте все белки в местах со­
единения совершенно определенных аминокислот (триптофан, фе­
нилаланин, тирозин, метионин, лейцин).
У простых ферментов типа лизоцима каталитическое действие
осуществляется таким образом: фермент влияет на конформацию
субстрата и переводит его ,в напряженное состояние, способствую­
щее протеканию реакции. Кроме того, в активном центре сосре­
доточено много неполярных групп, и эта область действует как
органический растворитель. В этой области находится небольшое
число заряженных полярных боковых групп аминокислот, реак­
ционная способность которых выше, чем ионов воды. Имея боль­
шую гибкую молекулу, ферменты способны сосредоточить на не­
большом участке необходимые группы для осуществления кон­
кретной реакции с субстратом.
У сложных ферментов, имеющих простетические группы и коферменты, возможности взаимодействия с субстратом увеличива­
ются. Во время катализа простетические группы отдают электро­
ны, протоны или целые химические группы, а после каталитичес­
кой реакции регенерируются.
Соединение фермента с субстратом в каталитическом центре
может происходить с помощью ковалентных связей, при участии
электронов, с помощью водородных связей или более слабых вза­
имодействий, например сил Ван-дер-Ваальса. Для этого фермент
и субстрат в районе каталитического центра должны сблизиться
до расстояния 1,5—2 нм для ослабления внутренних связей в мо­
лекуле субстрата.
В общем виде ферментативный процесс можно отразить следу­
ющим уравнением:
Е +5
Л—1
->Е
8
А_2
где Е — фермент; Б — субстрат; К\, К_\ и А*,
Р — продукт реакции.
>Е + Р,
(1)
— константы скоростей реакций;
Скорость всех ферментативных реакций зависит (при прочих
равных условиях) от концентрации фермента и его субстрата.
Если концентрация субстрата [5] значительно выше концен­
трации фермента [Е\, скорость ферментативной реакции можно
охарактеризовать уравнением Михаэлиса—Ментен:
</т
К2Е[5)
Кт+ [5]
(2)
(3)
Если [*$■] » Кт, то скорость ферментативной реакции будет
равна максимально лимитирующей скорости Утах. Тогда Утах =
= К2[Е], а уравнение (2) примет вид
(4)
АЯ + Ш
Если [»У] = Кт, скорость ферментативной реакции будет равна
половине максимальной скорости. Численно Ктравна концентра­
ции субстрата, при которой скорость реакции составляет полови­
ну максимальной. Графически зависимость между г „ж и Кт пока­
зана на рисунке 4.2.
В экспериментальных условиях неудобно работать с субстрата­
ми высокой концентрации, поэтому используют другой метод оп­
ределения кинетических характеристик фермента. Для этого урав­
нение (4) преобразуют следующим образом:
1 _ Кт
V
1
К™ [5]
(5)
V,шах
Тогда Утах находят, откладывая по оси абсцисс значения 1/[»з],
а по оси ординат — 1/К.
Точка пересечения прямой Кт/У тахс осью ординат (рис. 4.3)
дает величину 1/ Утах, а с осью абсцисс — величину 1/К т.
Измерив угол наклона а и отрезок на оси ординат, можно дос­
таточно ТОЧНО Определить Кпах и Кт.
Встречаются реакции других типов, например, обратимые с од­
ним субстратом, необратимые с несколькими субстратами или
реакции, в которых из одного субстрата образуются два продукта.
В ходе этих реакций также происходит образование фермент-субстратных комплексов подобно тому, как это имеет место в одно­
субстратных реакциях, и при исследовании кинетики этих реакций
могут быть определены Кт для каждого из субстратов и Ктах для
реакции. Такие реакции осуществляются либо по последователь­
ному типу, либо по типу пинг-понг, либо по смешанному.
Ферменты обладают очень высокой каталитической актив­
ностью. Одна молекула фермента за 1 мин может прореагировать
с тысячами и даже миллионами молекул специфического суб­
страта.
Известно, что для действия каждого фермента характерна оп­
тимальная температура, при которой скорость реакции макси­
мальна. Оптимум температуры большинства используемых в
биотехнологии ферментов микроорганизмов составляет 30...40 ’С.
|
■
'
~
^
^ш
~
—
ж-
7
Щ~9 *
‘
Ш
^
” #
"
I
I
|
I
I
I
Оптимум действия одних ферментов, например пепсина, наблюдается в кислой среде (рН 2), других — в щелочной, а у большинства ферментов — в нейтральной.
На действие ферментов могут оказывать влияние активаторы и
ингибиторы. Активаторами многих ферментов являются цистеин
и глутатион. Эти вещества восстанавливают дисульфидную связь,
образуя ЗН-группы, которые входят в состав каталитических цен­
тров и часто определяют ферментативную активность. Ингибито­
ры ферментов могут быть неспецифическими (например, соли тя­
желых металлов, которые при связывании с белками осаждают их
из растворов) или специфическими (например, синильная кисло­
та, которая реагирует с определенными химическими группами
ферментов и ингибирует действие железосодержащих дыхатель­
ных ферментов).
I
Различают три типа обратимого ингибирования ферментов:
конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное. Конкурент­
ные ингибиторы способны обратимо связываться с активным
центром фермента и конкурировать с субстратом за активный
центр. При неконкурентном ингибировании взаимодействие ин­
гибитора и фермента происходит не на том участке, с которым
связывается фермент, но они вызывают изменение конформации
|1 фермента, нарушая таким образом нормальное взаимодействие
активного центра с ферментом. Бесконкурентное ингибирование
наблюдается в том случае, когда ингибитор обратимо взаимодей­
ствует только с субстратом и ферментом, образуя комплекс и не
образуя продуктов (ферментативная реакция с участием двух и бо­
лее субстратов).
I
Контрольные вопросы
1. Каковы преимущества ферментных препаратов по сравнению с химически­
ми катализаторами? 2. Какие ферментные препараты для пищевой промышлен­
ности производят в мире в наибольших масштабах? 3. Каковы источники получе­
ния ферментов? 4. Как классифицируют ферменты? 5. Какая система названия
ферментных препаратов существует в РФ? 6. Каковы характерные черты класса
оксидоредуктаз? 7. Каковы характерные черты класса трансфераз? 8. Какие фер­
менты относятся к классу гидролаз? 9. Чем отличается класс лиаз от класса ли газ?
Каковы особенности действия различных представителей этих классов? 10. Какие
реакции катализируют изомеразы? 11. Каковы правила определения активностей
ферментных препаратов? 12. Что такое молекулярная активность фермента?
13. Каковы свойства ферментов? 14. Что такое иммобилизация ферментов? 15. Ка­
кие существуют носители для иммобилизации ферментов? 16. Каковы способы
иммобилизации ферментов? 17. Как осуществляется каталитическое действие
простых и сложных ферментов? 18. Что такое кинетика ферментативной реакции?
Как определяются
и Кт1 19. Как осуществляются активация и ингибирование
ферментов?
Г ла ва 5
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАКВАСОК
И ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В ХЛЕБОПЕКАРНОЙ
ОТРАСЛИ
Хлеб — физиологически обязательный компонент рациона пи­
тания человека. Основы технологии хлебопечения были заложены
еще на заре цивилизации.
Сначала хлеб представлял собой смешанную с водой и выпе­
ченную муку. Дрожжи впервые попали в тесто спонтанно из воз­
духа, что было очень важно для получения рыхлого теста. Позднее
хлеб стали печь из муки с добавками дрожжей, соли, сахара и не­
большого количества жира. Все эти ингредиенты необходимы для
активного развития дрожжей, что приводит к улучшению качества
хлеба. В настоящее время для получения особых видов хлеба в те­
сто добавляют и другие компоненты.
Хлеб для населения России всегда был и остается одним из
главных продуктов питания. Об этом убедительно свидетельствует
анализ потребления хлебобулочных изделий в РФ, которое со­
ставляет 118 кг на душу населения в сопоставлении с мировым
годовым потреблением хлеба — 45 кг на душу населения, а также
с потреблением хлеба в странах Европы: Великобритания, Фран­
ция — 42—45 кг, Италия, Дания, Германия — 70—82 кг на душу
населения.
Особое место хлебобулочных изделий в структуре питания на­
селения РФ определяет приоритетное направление хлебопекарной
отрасли и обеспечение высокого качества хлебобулочных изделий.
Качество хлеба определяется особенностями химического со­
става муки и активностью ферментативного комплекса в системе
тесто —дрожжи. Значительное влияние оказывают также условия
брожения и выпечки. Получить хлеб с надлежащей пористостью,
объемом, окраской корки можно только при правильном сочета­
нии в процессе тестоведения микробиологических и биохимичес­
ких процессов.
Мука, поступающая на хлебопекарные предприятия для произ­
водства хлебобулочных изделий, характеризуется нестабильными
свойствами.
Эффективным средством в решении многих технологических
задач, в том числе создания гибкого и одновременно стабильного
технологического процесса получения широкого ассортимента
хлебобулочных изделий высокого качества, является целена­
правленное применение микроингредиентов — пищевых добавок,
хлебопекарных улучшителей, различных видов нетрадиционного
сырья.
Все пищевые добавки и хлебопекарные улучшители, применяе­
мые в настоящее время в хлебопекарной отрасли, можно разде­
лить на следующие группы микроингредиентов:
• окислительно-восстановительного действия;
• модифицированные крахмалы;
• ферментные препараты различного принципа действия;
• поверхностно-активные вещества (пищевые эмульгаторы);
• сухая клейковина и продукты на ее основе;
• пшеничные закваски на основе микроорганизмов;
• минеральные соли, органические кислоты, консерванты, пи­
щевые волокна, ароматические и вкусовые добавки и т. п.
5.1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХЛЕБА
Принципиальная технологическая схема хлебопекарного про­
изводства включает следующие стадии (рис. 5.1).
К основному сырью в хлебопекарном производстве относят
муку, дрожжи, сахар, жир, соль.
Подготовка основного сырья к производству. Подготовка муки
заключается в смешивании отдельных компонентов, просеивании
Подготовка основного сырья
Подготовка дополнительного
Подготовка
к производству
Приготовление теста
Брожение теста
Обминка теста
Выпечка теста
Приготовление готовой продукции!
Охлаждение изделий
(Готовая продукция на реализацию)
Рис. 5.1. Принципиальная технологическая схема производства хлебобулочных
изделий
и магнитной очистке. При необходимости смешивают муку раз­
ных партий (в пределах одного сорта) для улучшения свойств од­
ной партии муки за счет другой (две или три партии муки в
простых соотношениях 1:1, 1:2, 1:3 и т. д.) на специальных ма­
шинах — мукосмесителях.
Для просеивания муки с целью отделения посторонних при­
месей применяют бураты, вибросита или просеиватели иных
конструкций. Для очистки муки от металломагнитных примесей
в выходных каналах машин для просеивания устанавливают маг­
нитные уловители, которые очищают через каждые 4 ч работы.
При использовании аэрозольтранспорта применяют электромаг­
нитные сепараторы.
Прессованные дрожжи освобождают от упаковки, грубо из­
мельчают и готовят однородную суспензию в воде при температу­
ре 30...35 “С.
Сахар растворяют в воде в емкостях с мешалками при темпера­
туре около 40 вС до 55%-й концентрации раствора.
Твердые жиры растапливают в бачках с водяной рубашкой и
мешалкой. Температура маргарина при этом должна быть не более
40...45 °С, иначе он расслоится на жир и воду и неравномерно рас­
пределится в тесте. Жидкие жиры процеживают. Соль используют
в виде 40%-го раствора. Дополнительным сырьем являются яйцепродукты и другие добавки.
Приготовление теста и полуфабрикатов. Для каждого сорта хлеба
существует унифицированная рецептура, в которой указаны сорт
муки и расход компонентов в зависимости от вида хлебобулочных
изделий (в кг на 100 кг муки).
Технологический режим приготовления изделия определяется:
температурой, влажностью, кислотностью полуфабрикатов, длитель­
ностью брожения, наличием и числом обминок, массой кусков тес­
та, длительностью и температурным режимом расстойки и выпечки.
К полуфабрикатам хлебопекарного производства относятся
жидкие дрожжи, опары и закваски. Пшеничное тесто можно гото­
вить на жидких дрожжах, жидких заквасках опарным и безопарным способами. Ржаное тесто готовят на заквасках по различным
технологическим схемам.
Тесто — это своеобразная гетерогенная коллоидная система,
образованная ограниченно набухшими белками и крахмалом му­
ки. Реологические характеристики теста определяются в первую
очередь количеством и качеством белков муки, всеми остальными
компонентами рецептуры и технологическими параметрами его
приготовления.
Способы приготовления теста. Безопарным способом тесто за­
мешивают в один прием сразу из всего сырья, предусмотренного
рецептурой. Расход прессованных дрожжей при этом составляет
2—2,5 % к массе муки, длительность брожения теста — 3 —4 ч.
В процессе брожения проводят 2—3 обминки, последнюю — за
30—40 мин до разделки теста. Перед последней обминкой прово­
дят отсдобку теста. Безопарным способом обычно готовят ситнич­
ки, московские калачи, московские булочки, рожки, рогалики, а
также хлеб из пшеничной муки высшего и I сортов с низкой кис­
лотностью.
Опарный способ состоит из двух операций: приготовление опа­
ры и теста. Для опары берут часть муки, часть воды и все количе­
ство дрожжей (0,5—1 % к массе муки). По консистенции опара
более жидкая, чем тесто. Длительность ее брожения 3,5—4,5ч.
На готовой опаре замешивают тесто, добавляя оставшуюся часть
муки, воду и другое сырье (соль и т. п.). Брожение теста продол­
жается 1—1,5 ч. В процессе брожения тесто из сортовой муки под­
вергают одной или двум обминкам, перед последней осуществля­
ют отсдобку теста.
Применение жидких дрожжей и заквасок при приготовлении тес­
та. Жидкие дрожжи и жидкие закваски представляют собой дрож­
жи и нетермофильные молочнокислые бактерии, находящиеся в
активном состоянии, вместе с питательной средой.
Питательной средой для жидких заквасок служит осахаренная
заварка, т. е. смесь воды и муки, нагретая до 65 ...75 °С для клейстеризации крахмала муки, к которой добавляют препараты фер­
ментов, катализирующие расщепление крахмала с максимальным
образованием сахаров. Микрофлора жидких заквасок представле­
на в основном гетероферментативными молочнокислыми бакте­
риями и небольшим количеством дрожжей. Поэтому пшеничный
хлеб, приготовленный на жидких заквасках, имеет высокую кис­
лотность. Жидкие закваски применяют для получения пшенично­
го хлеба из обойной муки.
Питательной средой для жидких дрожжей является осахарен­
ная заварка, в которой при температуре 48...50вС развиваются
молочнокислые бактерии, вырабатывающие молочную кислоту.
Далее полученную смесь охлаждают до 28...30°С и используют в
качестве питательной среды для размножения дрожжей. Микро­
флора жидких дрожжей содержит гетероферментативные молоч­
нокислые бактерии и дрожжи с преобладанием последних.
Жидкие дрожжи используют для приготовления хлеба из пше­
ничной муки высшего, I и II сортов, поскольку в этом случае не
происходит чрезмерного повышения кислотности.
Жидкие дрожжи и жидкие закваски можно использовать для
приготовления пшеничного хлеба любым способом — опарным и
безопарным. Их расход составляет 20—35 % массы муки. Жидкие
дрожжи можно использовать в смеси с прессованными дрожжами
(например, 1—1,5 % прессованных дрожжей и 8—15 % жидких).
Ржаное тесто должно иметь высокую кислотность. Клейстеризованный крахмал ржаной муки, который легко разрушается ак­
тивной амилазой, при выпечке разлагается с образованием боль­
шого количества декстринов. Мякиш хлеба при этом становится
липким на ощупь и заминается. Высокая кислотность не только
способствует улучшению физических свойств теста, но и придает
ржаному хлебу специфический вкус и аромат. Поэтому ржаное те­
сто готовят на заквасках, которые обеспечивают интенсивное кислотообразование. Закваска в этом случае — это порция спелого
теста, приготовленная без соли, которая содержит активные мо­
лочнокислые бактерии. Кроме молочнокислых бактерий в состав
закваски входит небольшое количество дрожжей. В зависимости
от влажности, закваски могут быть: густыми (влажность 50 %), ме­
нее густыми (влажность 60 %) и жидкими (влажность 70—80 %).
Замес теста. Замес — короткая, но важная технологическая
операция. Его длительность для пшеничного теста составляет 7 —
8 мин, для ржаного — 5—7 мин.
Цель замеса — получить однородную массу теста с определен­
ными физическими свойствами. При замесе одновременно проте­
кают физико-химические и коллоидные процессы, которые вза­
имно влияют друг на друга. Коллоидные процессы связаны с на­
буханием белков и крахмала пшеничной муки. Нерастворимые в
воде белки муки набухают и связывают воду в количестве, при­
близительно в 2 раза превышающем их массу. Вследствие этого
образуется клейковинный каркас теста губчатой структуры, кото­
рый определяет эластичность теста. Крахмал связывает воду в ко­
личестве около 30 % своей массы, но поскольку крахмала в муке
значительно больше, чем белков, количество воды, связанной бел^
ками и крахмалом, приблизительно одинаковое. Набухшие зерна
крахмала и частицы оболочек распределяются внутри клейковин­
ного каркаса.
Вследствие механического перемешивания набухшие частицы
слипаются в сплошную массу, и образуется тесто.
Тесто после замеса состоит из трех фаз: твердой, жидкой и га­
зообразной. Газообразная фаза состоит из пузырьков воздуха, по­
лученных при замесе теста. Состав твердой и жидкой фаз в пше­
ничном и ржаном тесте имеет некоторые отличия.
В пшеничном тесте твердая фаза представлена набухшими не­
растворимыми в воде белками, зернами крахмала и частицами
оболочек. Она преобладает над жидкой фазой, в состав которой
входят водорастворимые вещества (сахар, соль, водорастворимые
белки и др.). Основная часть жидкой фазы пшеничного теста свя­
зана набухшими белками. В ржаном тесте твердая фаза состоит из
небольшого количества частично набухающих белков (2 —3 %),
крахмала и частиц отрубей. Клейковинного каркаса в ржаном тес­
те нет. В состав жидкой фазы входят неограниченно набухающие
белки (до 97 %), слизи, декстрины, сахара и другие вещества.
Поэтому структурно-механические свойства пшеничного и
ржаного теста различны: пшеничное тесто эластичное, упругое, а
ржаное — вязкое, пластичное. Структурно-механические свойства
ржаного теста в значительной мере зависят от его кислотности:
ее повышение до 10—12 °Т (конечная кислотность пшеничного
теста — 7 °Т) увеличивает долю твердой фазы, делает тесто менее
вязким за счет медленного разложения крахмала и снижения об­
разования декстринов, которые придают тесту липкость.
Брожение теста. Брожение теста начинается с момента его за­
меса и заканчивается при окончательной расстойке. Цель броже­
ния — разрыхление теста, придание ему определенных структур­
но-механических свойств, необходимых для последующих опе­
раций, а также накопление вкусовых и ароматических веществ и
получение окраски хлеба.
Комплекс процессов, которые одновременно протекают на ста­
дии брожения и взаимно влияют друг на друга, объединен общим
понятием «созревание теста». Созревание включает в себя микро­
биологические (спиртовое и молочнокислое брожение), коллоид­
ные, физические и биохимические процессы.
Спиртовое брожение, в результате которого сахара превращают­
ся в спирт и диоксид углерода, осуществляется дрожжами. Источ­
ником сахаров являются собственные сахара муки, а также крахмал,
который расщепляется до мальтозы. Скорость брожения зависит
от температуры, кислотности среды, количества и качества дрож­
жей, содержания сбраживаемых сахаров, аминокислот, минераль­
ных веществ, витаминов. Высокие концентрации в тесте соли, са­
хара, жира тормозят газообразование. Брожение ускоряется при
добавлении в тесто амилолитических ферментных препаратов.
Молочнокислое брожение вызывают молочнокислые бактерии,
которые попадают в тесто вме<;те с мукой. Они трансформируют
глюкозу в молочную кислоту. В пшеничном тесте преобладает
спиртовое, а в ржаном — молочнокислое брожение.
Вследствие повышения кислотности теста ускоряется набухание
белков, замедляется расщепление крахмала до декстринов и мальто­
зы, при этом образуется тесто с оптимальными физическими свой­
ствами, которые обусловливают вкус и аромат хлеба. Поэтому кис­
лотность теста является признаком его созревания, а кислотность хле­
ба — одним из показателей его качества, включенным в стандарт.
Коллоидные процессы, которые начинаются на стадии замеса,
продолжаются во время брожения.
В результате физических процессов происходит насыщение те­
ста диоксидом углерода, увеличивается его объем и на 1...2 °С по­
вышается температура.
Биохимические процессы являются наиболее важными, по­
скольку от их протекания зависят и микробиологические, и колло­
идные, и физические процессы. Они заключаются в расщеплении
составных компонентов муки (белков и крахмала) под действием
ферментов муки, дрожжей и других микроорганизмов. При этом не­
обходима определенная степень протеолиза, так как она ведет к
получению достаточно упругого и эластичного теста, которое обла­
дает оптимальными свойствами для получения качественного хле­
ба. Кроме того, продукты разложения белков на стадии выпечки
участвуют в образовании цвета, вкуса и аромата хлеба. При интен­
сивном разложении белков, особенно в муке со слабой клейкови­
ной, тесто расплывается и хлеб получается неудовлетворительного
качества. При расщеплении крахмала ферментами образуется маль­
тоза (5 — 6 % к массе муки), которая расходуется на брожение тес­
та и участвует в процессе выпечки, определяя вкус и аромат хлеба.
Температура является основным фактором, регулирующим ход
технологического процесса приготовления теста. Оптимальная
температура для спиртового брожения — 35 "С, для молочнокис­
лого — 35...40°С, повышение температуры приводит к повыше­
нию кислотности, усилению биохимических процессов, ослабле­
нию клейковины. Оптимальная температура брожения теста —
26...32 *С. Повышенную температуру рекомендуют для приготов­
ления теста из муки с сильной клейковиной; тесто из слабой муки
готовят при более низкой температуре.
*
В процессе брожения тесто подвергается обминке, т. е. кратко­
временному повторному промесу в течение 1,5—2 мин. При этом
происходит равномерное распределение пузырьков диоксида уг­
лерода по всей массе теста, улучшается его качество, мякиш хлеба
приобретает мелкую, тонкостенную и равномерную пористость.
Разделка теста. Разделкой называют ряд операций обработки
выбродившего теста. Разделка пшеничного теста включает в себя
следующие основные операции: деление теста на куски; округле­
ние; предварительную расстойку; формирование (закатку) тесто­
вых заготовок; окончательную расстойку.
При производстве подового хлеба исключаются операции
предварительной расстойки и закатки.
Разделка ржаного теста состоит из следующих операций: деле­
ние теста на куски; формирование (округление или закатка) тес­
товых заготовок; окончательная расстойка.
Разделка теста включает и дополнительные операции: посадка
тестовых заготовок в шкаф для расстойки и их выгрузка, надрезка
заготовок после окончательной расстойки, посадка их в печь.
Различия в разделке пшеничного и ржаного теста обусловлены
особенностями их свойств. Ржаное тесто не имеет клейковинного
скелета и более пластично. Оно обладает повышенным прилипа­
нием, для него необходима минимальная механическая обработка.
Пшеничное тесто упругое и требует более интенсивного механи­
ческого воздействия. Многократная обработка пшеничного теста
необходима для получения однородной структуры во всей массе
куска, вследствие чего получается хлеб с равномерной, мелкой
пористостью.
Цель окончательной расстойки — брожение теста, которое не­
обходимо для восполнения С 02, удаленного на стадиях разделки.
Хлеб из теста без окончательной расстойки получается малого
объема, с плохо разрыхленным мякишем, с разрывами и трещина­
ми на корке. Окончательная расстойка проводится в атмосфере
воздуха при температуре 35...40°С и относительной влажности
воздуха 75 —85 % в течение 25—120 мин в зависимости от массы
кусков теста, условий расстойки, свойств муки, рецептуры теста и
ряда других факторов.
Выпечка хлеба. При выпечке основными являются физические
процессы — прогрев теста, -внешний влагообмен между тестом—
хлебом и паровоздушной средой пекарной камеры и внутренний
тепломассообмен в тесте—хлебе. Кроме физических процессов при
выпечке хлеба протекают микробиологические, коллоидные и био­
химические процессы.
В начале выпечки тесто вследствие конденсации паров воды из
среды пекарной камеры поглощает влагу, и его масса несколько
увеличивается. После прекращения конденсации влаги начинает­
ся ее испарение с поверхности, которая к тому времени прогрева­
ется до 100 "С, превращаясь в сухую корку. При этом часть влаги
испаряется в окружающую среду, а часть (около 50 %) переходит в
мякиш. Влажность мякиша горячего хлеба на 1,5—2,5% выше
влажности теста. Обезвоженная корка прогревается в процессе
выпечки до 160... 180 "С, а мякиш — до 95...97 °С. Выше этой тем­
пературы мякиш не прогревается вследствие его высокой влаж­
ности (45—50 %).
В первые минуты выпечки спиртовое брожение в середине теста
ускоряется и при 35 °С достигает максимума. После этого скорость
его снижается, и при 50 "С оно прекращается, так как дрожжевые
клетки отмирают. При 60 °С останавливается жизнедеятельность
кислотообразующих бактерий. Вследствие остаточной деятельности
микрофлоры во время выпечки в тесте—хлебе увеличивается со­
держание спирта, диоксида углерода и кислот, что повышает объем
хлеба и улучшает его вкус. Кроме того, в первые минуты выпечки
происходит тепловое расширение воздуха и газов в середине теста,
которое существенно влияет на увеличение объема хлеба.
Биохимические процессы связаны с изменением состояния
крахмала и белков. При 70...80°С они прекращаются. Крахмал
при выпечке клейстеризуется и интенсивно разлагается, причем
его гидролиз в ржаном тесте идет интенсивнее, чем в пшеничном.
Поэтому в ржаном хлебе содержание водорастворимых веществ
(декстринов и сахаров) значительно выше, чем в пшеничном. Белки
расщепляются на составные части с образованием промежуточных
продуктов. От глубины и интенсивности разложения крахмала и
белков зависят цвет корки пшеничного хлеба, его вкус и аромат.
Цвет пшеничного хлеба обусловлен присутствием меланоидинов,
ржаного хлеба — меланинов, образованных в хлебе при участии
некоторых аминокислот и ферментов.
Режимы выпечки зависят от сорта хлеба, вида и массы изделия,
качества теста, свойств муки, конструкции печи. Решающим фак­
тором является масса тестовой заготовки. Длительность выпечки
колеблется от 8 — 12 мин для мелкоштучных изделий и до 60 мин
для ржаного хлеба массой 1 кг. Для большинства пшеничных и
ржаных изделий режим выпечки включает три периода.
В первом периоде выпечка производится при высокой относи­
тельной влажности (до 80 %) и сравнительно низкой температуре
паровоздушной среды пекарной камеры ( 110... 120 еС) в течение
2 —3 мин; при этом тестовая заготовка увеличивается в объеме, а
пар, конденсируясь, улучшает состояние ее поверхности.
Второй период идет при высокой температуре (240...280 вС) и
пониженной относительной влажности; при этом образуется кор­
ка, закрепляются объем и форма изделия.
Завершающий этап выпечки происходит при менее интенсивном
подведении теплоты (180 °С), что способствует снижению упека.
У п е к х л е б а — это потеря массы теста при выпечке; он выра­
жается разницей между массой теста и горячего хлеба, отнесенной
к массе теста (в %) и составляет 6 —14 %. Почти 95 % этих потерь
составляет влага, а другую часть — спирт, диоксид углерода, лету­
чие кислоты и др.
Качество хлеба и хлебобулочных изделий должно отвечать тре­
бованиям соответствующих стандартов (ГОСТ) или технических
условий (ТУ). Стандарт определяет требования к качеству сырья,
форму и массу изделий, сорт муки, органолептические, физико­
химические и микробиологические показатели качества хлеба.
5.2.
ПШЕНИЧНЫЕ ЗАКВАСКИ НА ОСНОВЕ
МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
В современных условиях особую актуальность приобретает ре­
шение проблем качества продукции, повышения микробиологи­
ческой чистоты, пищевой и биологической ценности, возникаю­
щих из-за снижения хлебопекарных свойств зерна и муки, микро­
биологическом контаминации сырья, снижения «устойчивости»
технологий в экологически неблагополучных зонах, широкого
развития ассортимента диетических хлебобулочных изделий.
Для решения этих проблем эффективно применение новых
микробиологических заквасок — полуфабрикатов, приготовление
которых осуществляется непосредственно на хлебопекарных пред­
приятиях.
Первыми были закваски, полученные на основе целенаправ­
ленного культивирования гомо- и гетероферментативных молоч­
нокислых бактерий и дрожжей ЗассНаготусез сегеушае в виде муч­
ных полуфабрикатов с кислотообразующей и газообразующей
способностью.
Новые виды заквасок отличает программированный состав чи­
стых культур микроорганизмов с заданными биохимическими,
бактерицидными и технологическими свойствами.
Основой создания новых видов пшеничных заквасок является
селекция высокоактивных видов и штаммов микроорганизмов,
способных развиваться на мучных средах в условиях незначитель­
ной аэрации. При этом помимо традиционных методов селекции
(выделение чистых культур микроорганизмов из спонтанных за­
квасок и производственных сред) используют современные мето­
ды: индуцированный мутагенез, гибридизацию, адаптацию, ком­
бинированные методы селекции.
Следующим, не менее важным этапом создания заквасок на­
правленного действия, является составление из селекционирован­
ных микроорганизмов композиций в определенных соотношениях.
После формирования микробиологического состава заквасок
необходимым условием их стабильности становится оптимизация
параметров приготовления закваски, которая включает: состав и
способ приготовления основного питательного субстрата, опти­
мум температуры, рН среды, кислотности, продолжительности
выращивания, ритм отбора и возобновления закваски и др.
Источником чистых культур микроорганизмов служат музей­
ные штаммы, применяемые в хлебопекарной, дрожжевой, молоч­
ной промышленности, и культуры, выделенные из природных
источников, производственных сред и заквасок спонтанного бро­
жения.
Среди музейных культур отбирают виды и штаммы микро­
организмов, которые обладают такими свойствами, как способ­
ность размножаться на мучных средах, определенный уровень
ферментативной активности, стабильность при непрерывном куль­
тивировании, синтез некоторых витаминов, наличие антибиоти­
ческой активности и др.
Большое значение имеет рациональное составление компози­
ции микроорганизмов, выявление доминирующих форм, опреде-
ление соотношений между отдельными представителями микро­
флоры той или иной закваски.
В ГосНИИХП в результате длительных исследований созданы
закваски: пропионовокислая, комплексная, ацидофильная, вита­
минная, эргостериновая, дрожжевая.
Пропионовокислая закваска. Ее основу составляет штамм пропионовых бактерий РгорютЬа&епит /геип^епгекИИ 85р. зНегтапН
ВКМ-103. Данная закваска разработана с целью получения наи­
более эффективного биологического средства предотвращения
картофельной болезни и плесневения хлеба. Смесь пропионовой,
муравьиной и уксусной кислот, а также антибиотический поли­
пептид — пропионин, синтезируемый этим штаммом, оказывает
максимальное ингибирующее действие на развитие споровых бак­
терий и плесеней, подавляя комплекс флавиновых ферментов ды­
хательного цикла микроорганизмов. Кроме того, в процессе мета­
болизма эта культура синтезирует значительные количества вита­
мина В12, который, как известно, в организме человека участвует в
кроветворении. Поэтому применение пропионовокислой заквас­
ки в процессе приготовления теста и выпечки хлеба преследует две
цели: предохранение хлеба от микробиологической инфекции и обо­
гащение его витамином В12, что повышает его пищевую ценность.
Комплексная закваска. Основу этой закваски составляют
штаммы молочнокислых бактерий, дрожжей и пропионовокислых
бактерий следующих видов: Ьас1оЬасШиз сазег-С1, Ь. ЬгеУЙ-В78,
Ь./егтепИ-ЪА, ЗассИаготусез сегешгае-69, РгорютЬааепит зПег­
гиапп ВКМ-103, которые находятся в следующем соотношении:
0,5:0,25:0,25:1:0,02. В качестве питательного субстрата для при­
готовления закваски используют мучную осахаренную заварку,
которую готовят из пшеничной муки первого сорта в соотноше­
нии мука: вода — 1:3.
В процессе длительной эксплуатации закваска отличается ста­
бильностью.
Ацидофильная закваска. Она состоит из культуры Ь. асШорИШиз-146 и штамма дрожжей .У. сегеушае «Рязанские-17», адапти­
рованного к высоким температурам (40...45 °С). Ацидофильная
закваска характеризуется устойчивостью к повышенным темпе­
ратурам.
Витаминная закваска. Она была создана в результате использо­
вания в микробиологическом составе пшеничной закваски каротинобразующих дрожжей, адаптированных к мучным средам.
Каротиноидные дрожжи не обладают бродильной активно­
стью, температурный оптимум роста у них сдвинут в сторону низ­
ких значений — 22...28 "С, они имеют низкую скорость роста —
0,18 ч-1. Витаминная закваска, характеризующаяся способностью
к синтезу большого количества [3-каротина, витамина В |2, облада­
ющая бактерицидными, радиопротекторными свойствами и высо­
кими технологическими показателями, включает: каротиноидные
дрожжи Ви11ега агтемоса штамм Сб-103, дрожжи Засскаготусез
сегеушае штамм Фр-3, молочнокислые бактерии Ь. асШоркШиз-146,
пропионовые бактерии РгорюшЬас1епит зкегтапИ ВКМ-103 в
соотношении 1:1:0,5:0,2. В качестве основного субстрата для
получения закваски необходимо использовать мучную осахаренную заварку с влажностью 82—85 %. Процесс выращивания про­
должается в течение 5 — 6 ч при температуре 22...25 *С.
Эргостериновая закваска. В ее состав входят дрожжи Засскаготусез сегеутае-51€, обладающие высокими биохимическими и
технологическими свойствами, способные к повышенному синте­
зу эргостерина (предшественник витамина Э 2), и мезофильные
молочнокислые бактерии Ь. сазе1- С 1, Ь. р1ап(агит-30.
Возможно частично заменить эргостериновой закваской прес­
сованные дрожжи. Процесс брожения наиболее интенсивно про­
исходит при замене 50 % прессованных дрожжей (от рецептурного
количества) на 15 % эргостериновой закваски (к массе муки в тес­
те). Использование эргостериновой закваски при приготовлении
хлеба и хлебобулочных изделий способствует увеличению удель­
ного объема на 9—20 %, пористости — на 2—4, структурно-меха­
нических свойств — на 10—15%, повышению пищевой ценности
за счет обогащения изделий витамином Э 2 — на 0,2—0,3 %.
Дрожжевые закваски. Для регионов с низкими значениями
среднегодичных температур для замены жидких дрожжей путем
селекции молочнокислых бактерий, способных развиваться при
температуре 25...28 "С, и дрожжевых культур создана мезофильная
дрожжевая закваска, включающая сообщество микроорганизмов:
Ь. сазе1- С 1, Ь.р1апШгит-А-63, дрожжи Засскаготусез сегеутае штамм
Фр-3 на мучной питательной среде.
При ее использовании интенсифицируется процесс газообра­
зования в тесте, сокращается продолжительность брожения. В го­
товых хлебобулочных изделиях отмечено увеличение удельного
объема на 25—30 %, пористости — на 2 —3, общей упругой дефор­
мации — на 35—40 % по сравнению с образцами хлеба, приготов­
ленными на традиционных жидких заквасочных дрожжах.
Вариантом дрожжевой закваски является закваска, созданная
на основе высокоактивного штамма дрожжей 3. сегешгае «Красно­
дарская-! 1», отличительной особенностью которой является воз­
можность использования для ее выращивания водно-мучной сре­
ды, что позволяет заменить жидкие дрожжи на хлебозаводах, где
отсутствуют условия для приготовления осахаренной мучной за­
варки.
Микробиологический состав и свойства заквасок приведены в
таблице 5.1.
\
огм
оо
оо
ш
ш
Ч
П ГЛ- сч
I
I
I
«п
ш
О
«
Л
»
(М(М<м
О
ю
9 сч
1 1
8
гм
гм
оо
см
оо
оо
N
0
со
40
со
оо
ог-
«о
«о
40
I
о
ъ
с
4>
2
*2 X
40
о
чо
о
«О
со гм
1 1
3гч
3
1
35
1
•Л
то
30
20
о
■ч*
то
о
I
«о
35
5.1. Характеристика биохимических, бактерицидных и технологических свойств пшеничных заквасок
оо
о
О
*о
7
о
гм
см
то
«о
гм
оо
огм
гм
«О
со
1
1
30
о
30
гм
20
ГМ
Стартерные культуры молочнокислых, пропионовых бактерий
и дрожжей, используемые в производстве пшеничных заквасок,
обладают активными внутри- и внеклеточными протеазами и ами­
лазами, которые осуществляют гидролиз структурных компонен­
тов муки как в заквасках, так и в процессе приготовления теста.
В формировании вкуса и аромата хлеба важную роль играют
летучие компоненты заквасок.
В составе летучих компонентов различных пшеничных заква­
сок идентифицированы как простые, так и сложные по своей
структуре вещества с высокой молекулярной массой. При этом,
чем разнообразнее микробиологический состав заквасок, тем боль­
ше в них образуется промежуточных продуктов расщепления по­
лисахаридов и полипептидов, а также веществ, представляющих
продукты взаимодействия отдельных компонентов в заквасках.
Применение заквасок в процессе приготовления теста способ­
ствует образованию пор, равномерно распределенных по всему
объему, созданию устойчивой структуры теста, повышению его
эластичности и упругости.
5.3. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ФЕРМЕНТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ХЛЕБА
Получить хлеб с надлежащими пористостью, объемом, окрас­
кой корки можно только в том случае, если в тесте на всех стадиях
технологического процесса достаточно сахаров, обеспечивающих
интенсивность газообразования.
Несмотря на значительное количество собственных сахаров
муки, их технологическое значение невелико, и хлеб, полученный
за счет брожения только собственных сахаров муки, не будет отве­
чать требованиям стандарта.
Для получения хлеба нормального качества большое значение
имеет не только процесс газообразования сам по себе, но и его
динамика. При газообразовании только за счет собственных са­
харов муки максимум выделения С 0 2 приходится на 1—2-й часы
брожения. При наличии в муке активной (5-амилазы газообразова­
ние в процессе приготовления теста идет по возрастающей кри­
вой, максимум которой приходится на 4-й час брожения. Такой
ход процесса газообразования полностью отвечает требованиям
хлебопечения.
Значение сахара не ограничивается только брожением. Сахара
имеют огромное значение для образования красящих и аромати­
ческих веществ хлеба как один из источников, участвующих в об­
разовании продуктов, обеспечивающих ценные качества хлеба —
его вкус и аромат.
Особенно важны для хлебопечения изменения, которые проис­
ходят с белковым комплексом муки при тестоведении и расстойке
теста.
Белковый комплекс и его ферментативные изменения опреде­
ляют физические свойства теста, особенно его газоудерживающую
способность, поэтому от белкового комплекса зависит как пове­
дение теста при его замесе и расстойке (в частности, формоудержание), так и качество хлеба, его объем, пористость и структура
мякиша.
. м$9 о
Для хлебопечения чрезвычайно важна скорость, с которой про­
исходят изменения физических свойств клейковины под действи­
ем протеаз, однако в нормальном пшеничном зерне активность
протеаз очень мала.
Ранее в качестве биологического улучшителя хлебопекарных
достоинств муки использовали активный солод. Широкое приме­
нение солод нашел в основном при приготовлении питательных
сред (заварок) для жидких дрожжей, для активирования прессо­
ванных дрожжей, а также при выпечке специальных сортов хлеба,
например рижского и др.
Добавление солода непосредственно в тесто при замесе исклю­
чало большие потери сухого вещества и оказывало благоприятное
влияние на хлеб, особенно приготовленный из муки с понижен­
ной диастатической активностью. Однако поскольку в солоде со­
держатся достаточно активные протеолитические ферменты, до­
бавить нужное количество а-амилазы, не превысив допустимый
уровень протеазы, очень трудно. В то же время наличие активных
протеолитических ферментов отрицательно сказывалось на каче­
стве хлеба, приготовленного из муки со средними хлебопекарны­
ми достоинствами. Поэтому в настоящее время в хлебопечении
широко используют микробные ферментные препараты — эффек­
тивные улучшители качества хлеба, обладающие рядом преиму­
ществ по сравнению с солодом, а именно: амилазы, протеазы, гемицеллюлазы, липазы, глюкозооксидазы и их смеси.
5.4. ЦЕЛИ ПРИМЕНЕНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
Основные задачи, решаемые с помощью ферментов в хлебопе­
чении, следующие:
•
корректировка хлебопекарных свойств пшеничной и ржаной
муки при нестабильном ее качестве (укрепление клейковины, рас­
слабление, «структуризация» клейковины, увеличение сахарооб­
разующей способности и ферментативной активности муки и др.);
• приготовление специальных полуфабрикатов;
• улучшение биотехнологических свойств хлебопекарных дрож­
жей;
• интенсификация технологического процесса, реализация ус­
коренных технологий приготовления хлеба;
• формирование заданных реологических свойств теста, увели­
чение его стабильности;
• улучшение качества хлеба и хлебобулочных изделий по физи­
ко-химическим и органолептическим показателям;
• экономия сырья, повышение водопоглотительной способно­
сти теста, увеличение выхода готовых изделий;
• продление срока сохранения свежести хлеба, снижение его
крошковатости;
• введение в комплексные хлебопекарные улучшители для ре­
шения многофакторных технологических задач.
В зависимости от поставленных задач при производстве хлебо­
булочных изделий применяются ферментные препараты различ­
ного действия.
Амилолитические ферменты. Это основная группа ферментов,
используемых для интенсификации процесса тестоприготовления.
а-Амил аза (3.2.1.1: а - 1,4-ппокан-4-глюканогидролаза) — фермент,
осуществляющий, как уже упоминалось ранее, беспорядочный
разрыв молекулы крахмала по нескольким а-1,4-связям, сопро­
вождающийся в основном образованием декстринов и неболь­
шого количества мальтозы и значительным снижением вязкости
субстрата.
В пшеничной муке из нормального зерна а-амилаза отсутству­
ет, но в избытке содержится р-амилаза (3.2.1.2: а - 1,4-глюканмальтогидролаза) — фермент, воздействующий на крахмал последова­
тельным отщеплением мальтозы от невосстанавливающего конца
цепочки. Недостаток субстрата с подобными концами углеводной
цепочки является причиной слабого сахарообразования. При со­
вместном действии микробной а-амилазы и зерновой (3-амилазы
сахарообразование значительно усиливается, так как распад моле­
кулы на декстрины приводит к значительному увеличению числа
невосстанавливающих концов.
Характер действия грибной и бактериальной а-амилаз на крах­
мал и их свойства значительно различаются.
По сравнению с грибной и солодовой а-амилазами бактериаль­
ная а-амилаза обладает повышенной термостабильностью, что,
однако, осложняет работу с ней, так как превышение оптималь­
ной дозы может привести к образованию липкого заминающегося
мякиша.
Грибная а-амилаза термолабильна. В процессе выпечки, к мо­
менту, когда атакуемость крахмала в результате клейстеризации
резко возрастает, она быстро инактивируется и поэтому даже при
значительных передозировках не портит мякиша хлеба. Различия
в свойствах сравниваемых амилаз проявляются в оптимумах рН и
температуры, а также температуры инактивации.
Гидролиз крахмала с помощью а-амилазы и глюкоамилазы
(3.2.1.3: а - 1,4-глюканглюкогидролаза) повышает содержание сбра­
живаемых сахаров в тесте, что приводит к интенсификации про­
цесса брожения. За счет усиленного газообразования тесто раз­
рыхляется, приобретает однородную консистенцию, увеличивается
объем выпекаемого хлеба. Расщепление крахмала до декстринов
способствует замедлению черствения хлеба, в основе которого ле­
жат процессы ретроградации клейстеризованного крахмала и обра­
зования поперечных связей между молекулами крахмальных поли­
сахаридов и белков клейковины. Для замедления черствения хлеба
наиболее эффективна а-амилаза, при действии которой на крах­
мал образуются низкомолекулярные декстрины, препятствующие
кристаллизации крахмала. Увеличение содержания в тесте низко­
молекулярных сахаров приводит к активации меланоидинообразования при выпечке, при этом усиливается окраска корочки хлеба.
Образование сахаров в тесте особенно важно при брожении
опары, в которую обычно сахар не добавляют. Амилолитические
ферментные препараты в дозировках 0,002 % к массе муки суще­
ственно повышают газообразование и положительно влияют на
физические свойства теста из муки твердой пшеницы. Оно стано­
вится более эластичным, менее упругим и подобным тесту, приго­
товленному из муки мягких пшениц.
Из отечественных препаратов применяют Амилоризин, Амило­
субтилин, Глюкаваморин, Глюконигрин, Амилонигрин; из импорт­
ных чаще используются препараты фирмы «Новозаймс» (Дания):
Фунгамил (грибная а-амилаза из культуры А. огутдё), Новамил
(а-амилаза из В. зиЫШз), АМГ (глюкоамилаза из культуры А. т%ег).
В процессе выпечки хлеба препараты инактивируются и не вызы­
вают образования липкого мякиша.
При производстве хлеба на жидких дрожжах целесообразно до­
бавлять а-амилазу пофазно: на стадии приготовления заквашен­
ных заварок и на стадии приготовления опары.
Установлено также, что добавление в обычных дозах соли, са­
хара, улучшителей окислительного действия (аскорбиновой кис­
лоты) не ингибирует а-амилазу в пшеничном тесте, поскольку
накапливающийся в тесте в процессе брожения этанол также не
влияет на активность а-амилазы.
Добавление в опару 0,002 % ферментного препарата Амилори­
зин П10Х увеличивает удельный объем хлеба на 11—15 %, улучша­
ет его пористость на 2 —3 %, повышает формоустойчивость подо­
вого хлеба и сжимаемость мякиша, а также усиливается вкус и
аромат. Значительно увеличивается содержание сахаров, которые
в сочетании с продуктами гидролиза белков обусловливают и бо­
лее интенсивную окраску корки.
При приготовлении теста на к о н ц е н т р и р о в а н н о й мо­
л о ч н о к и с л о й з а к в а с к е (КМКЗ) могут применяться гриб­
ные препараты как глюкоамилазы, так и а-амилазы. Физико­
химические свойства КМКЗ (рН, влажность) соответствуют опти­
муму действия глюкоамилазы грибов. Препарат Глюкаваморин
Г20Х вносят в закваску при достижении рН 4,2, при дозировке
10—12 ед/100 г муки. Действие глюкоамилазы усиливается при до­
полнительном введении триполифосфата натрия (ТПФ) в количе­
стве 0,01 % к массе муки. Содержание глюкозы в готовой закваске
увеличивается в 1,6—1,9 раза и составляет 7,4—8 ,8 % сухих ве­
ществ. Удельный объем хлеба, изготовленного на КМКЗ с глюко­
амилазой, увеличивается на 10—15 %, пористость — на 2—3, общая
сжимаемость мякиша — на 25 —30%. В хлебе возрастает содер­
жание альдегидов, эфиров, ароматических и гетероциклических
соединений.
Качество хлеба улучшается при введении в КМКЗ наряду с
глюкоамилазой хлебопекарных дрожжей (0,1 % массы муки) и са­
хара. Гидролиз сахарозы дрожжевой р-фруктофуранозидазой уве­
личивает содержание глюкозы и фруктозы в закваске в 9 — 10 раз, в
тесте — в 1,4—1,6 раза.
Комплексные препараты, содержащие кислотоустойчивую а-амилазу и глюкоамилазу, целесообразно использовать вместе с мо­
лочной сывороткой при оптимальном рН 3,8—4,2. Наибольшая
эффективность достигается при приготовлении теста из пшенич­
ной муки на жидких опарах. Рекомендуемая дозировка препа­
рата — 4—5 ед. амилазы и 10—15 ед. глюкоамилазы на 100 г муки
при влажности полуфабриката 70—75%. Хлеб, приготовленный
на полуфабрикате с таким ферментным препаратом, имеет более
высокие удельный объем, формоустойчивость и сжимаемость мя­
киша (соответственно на 15, 20 и 30 %).
Комплекс амилолитических ферментов дает хорошие результа­
ты при использовании ржаной муки с различными хлебопекар­
ными свойствами, в том числе с пониженной автолитической
активностью. Сокращается продолжительность брожения заквас­
ки, повышается подъемная сила полуфабрикатов, становится бо­
лее выраженным вкус и запах хлеба.
Установлено, что осахаривание предварительно заваренной ча­
сти ржаной муки в комплексе с внесением указанных ферментных
препаратов в дозировке 1 ед. ОС/г муки приводит к увеличению
содержания усвояемых сахаров в питательной среде на 22,5 % по
сравнению с самым продуктивным контрольным вариантом. При
этом температура осахаривания снижается с 68 до 40 *С, на 25 %
уменьшается продолжительность процесса. Приготовление пита­
тельной среды с использованием ферментных препаратов приво­
дит к интенсификации спиртового и молочнокислого брожения.
Соответственно на 76 и 15 % увеличивается накопление основных
продуктов метаболизма — С 0 2 и кислот в пересчете на молочную.
При этом возможно регулирование процесса путем изменения до­
зировки ферментных препаратов в зависимости от исходной автолитической активности партий муки.
Комплекс амилолитических ферментов используется при полу­
чении в ы с о к о о с а х а р е н н ы х ф е р м е н т а т и в н ы х п о л у ­
ф а б р и к а т о в (ВФП). Введение ВФП в рецептуру хлеба сокра­
щает продолжительность процесса приготовления теста и расход
сахара. Для приготовления ВФП пригодны различные сорта
муки — пшеничной, ржаной и из зерна тритикале, а также рисо­
вая мучка, крахмальное молоко, крахмал-сырец, черствый хлеб.
Осахаривание проводят в течение 6 ч при температуре 60...65 ’С и
Р".
4,2, который устанавливают с помощью лимонной или ортофосфорной кислоты. В качестве амилолитических ферментных
препаратов можно использовать грибные а-амилазу и глюкоамила­
зу. Вид препарата не влияет на качество ВФП при условии соблю­
дения дозировки ферментов: глюкоамилазы — 500 ед/100 г сырья,
а-амилазы — 100 ед/100 г сырья для пшеничной муки, 50 ед/100 г
сырья для муки из тритикале и ржаной. Промышленный вариант
получения ВФП основан на использовании комплекса Глюкаваморина и Амилоризина. Степень конверсии крахмала в ВФП из
пшеничной муки I сорта составляет 73—75 %, из хлеба пшенич­
ного I сорта — 84—85, из рисовой мучки — 6 6— 68 %.
Использование ВФП в составе теста приводит к увеличению
подъемной силы дрожжей, скорости сбраживания сахаров, усиле­
нию газообразования, что позволяет сократить продолжитель­
ность приготовления теста. При безопарном способе приготовле­
ния теста ВФП вводят в количестве 5—10 % к массе муки. Дли­
тельность брожения сокращается в 1,4—1,7 раза, удельный объем
хлеба возрастает на 1 0 -2 9 %, пористость - на 2 —4, сжимаемость
мякиша
на 21 34 % к контролю (без ВФП), содержание реду­
цирующих сахаров — на 1,5—2,5 % к массе сухих веществ. Хлеб
медленнее черствеет, что объясняется более глубоким расщеплени­
ем крахмала и белка. При опарном способе приготовления теста
введение ВФП в опару приводит к сокращению длительности бро­
жения опары до 2 ч, теста — до 30 мин. Применение ВФП позволя­
ет снизить расход сахара в рецептуре на 2 ,5 —5,0 % к массе муки.
Для замедления черствения хлебобулочных изделий наряду с
традиционно используемыми ферментными препаратами а-ами-
лазы возможно применение ферментных препаратов с м а л ь т о ­
г е н н о й а - а м и л а з о й в технологиях пшеничного и ржано­
пшеничного хлеба. Установлено, что ферментный препарат, со­
держащий бактериальную мальтогенную а-амилазу, существенно
улучшает структурно-механические свойства мякиша, увеличива­
ет срок сохранения свежести готовых изделий до 7 — 12 сут.
Р-Гал актозидаза. В рецептуры хлебобулочных изделий часто
вводят творожную молочную сыворотку, которая содержит 4,2—
4,7 % сухих веществ, в том числе 0,5—1,4 % белка, 3,2—5,1 % лак­
тозы, до 0,4 % жира, минеральные вещества и витамины. Сыво­
ротка имеет рН 4—4,2, что соответствует активной зоне многих
грибных гидролитических ферментов. В хлебопечении лактозу в
чистом виде не используют из-за ее функциональных свойств:
низкой растворимости и отсутствия сладости, а также часто встре­
чающейся непереносимости организмом человека.
Лактоза не сбраживается пекарскими дрожжами, поэтому на
среде с ней их бродильная активность уменьшается. В тесте с до­
бавлением негидролизованной сыворотки отмечается депрессия
газообразования, объем теста снижается на 9—13%. При рас­
щеплении лактозы, катализируемом ферментом р-галактозидазой
(3.2.1.23: р-О-галакгозидгалактогидролаза), образуются глюкоза и
галактоза. Эта смесь уже имеет сладкий вкус, хорошо растворяется
в воде, усваивается как животными, так и микроорганизмами.
Для гидролиза лактозы могут быть использованы препараты
Лактоканесцин Г10Х и Г20Х, Лактоинеквалин Г10Х, Лактофрагилин Г10Х. Чаще применяют Лактоканесцин, который содержит
сопутствующие ферменты р-фруктофуранозидазу и протеазу. Он
способен гидролизовать лактозу сыворотки, инвертировать саха­
розу в тесте, частично гидролизовать белки сыворотки и муки.
При его использовании повышается бродильная активность дрож­
жей, кислого- и газообразование, сокращается продолжительность
брожения теста.
Рациональный способ использования сыворотки — это приго­
товление на ее основе 45—65%-х растворов сахара с добавлением
Лактоканесцина. При этом достигается не только гидролиз лакто­
зы, но и частичная инверсия сахарозы. Степень инверсии саха­
розы повышается при добавлении прессованных хлебопекарных
дрожжей, содержащих Р-фрукгофуранозидазу (3.2.1.26: р-Э-фруктофуранозидфруктогидролаза) в количестве 0,05—0,1 % к массе
раствора. Этот фермент гидролитически отщепляет концевые не­
редуцирующие р-О-фруктофуранозидные остатки в р-фруктофуранозидах, обладает способностью переносить остатки фруктозы
на различные акцепторы, осуществляет гидролиз (инверсию) са­
харозы на глюкозу и фруктозу. Дрожжи служат дополнительным
источником р-фруктофуранозидазы. Использование концентри­
рованных растворов сахарозы и молочной сыворотки интенси­
фицирует процесс созревания теста и улучшает его реологические
свойства.
Целлюлазы и гемицеллюлазы. Эти ферменты применяют при
приготовлении хлеба из ржаной муки, смеси ржаной и пшенич­
ной, а также муки с добавками отрубей и других компонентов с
повышенным содержанием структурных полисахаридов.
Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз повышает количество
сбраживаемых сахаров в тесте, что интенсифицирует процесс бро­
жения. Расщепление р-1,3—1,4-глюкана приводит к снижению
вязкости теста, что особенно важно при использовании ржаной
муки. Повышаются пористость и удельный объем хлеба, мякиш
становится менее липким.
Преобладающими гемицеллюлозами оболочки зерна являются
разновидности ксиланов, среди них — арабиноглюкуроноксилан.
Пентозные полисахариды составляют 2,5—3 % пшеничной муки.
Ксиланы ассоциируются с белками клейковины, при этом белки
теряют нативную структуру, происходит развертывание глобулы.
Денатурация сопровождается утратой эластичности белка, что отри­
цательно влияет на упругие свойства теста. Гидролиз ксиланов
предотвращает их ассоциацию с белками клейковины. Продукты
частичного гидролиза ксиланов имеют высокую водоудерживающую
способность. Образуется водонасыщенный развитый клейковин­
ный каркас. Ксилоолигосахариды препятствуют взаимодействию
крахмала с белками клейковины, что улучшает свойства теста при
разделке, повышает стабильность тестовых заготовок при расстой­
ке, увеличивает объем теста при выпечке, замедляет процесс черствения хлеба.
Отечественные препараты Целлокандин, Амилоризин имеют
широкий спектр действия, эффективно расщепляют различные
виды гемицеллюлоз (арабиноглюкуроноксилан пшеницы, арабиноксилан ржи, ксилан овса, 4-О-метил-глюкуроноксилан березы,
арабиногалактан, лихенан, галактоманнан), целлюлозные суб­
страты, а также различные виды зернового сырья (пшеничные и
ржаные отруби, ячменную муку). Получены положительные резуль­
таты при выпечке дарницкого хлеба с внесением 0,005 % Амилоризина за 1,5 ч до расстойки, докторских булочек — с внесением
0,025% Целлокандина за 30—40 мин до расстойки. Применение
препаратов с гемицеллюлазной активностью улучшает структуру
мякиша, повышает удельный объем хлеба, его пористость, хрустя­
щие свойства корки.
Для сохранения свежести хлебобулочных изделий препараты
ксиланазы сочетают с амилолитическими. Использование комп­
лекса бактериальной а-амилазы (препарат Новамил), мальтогенной а-амилазы и ксиланазы (препарат Фунгамил) в дозе 0,01 % к
ш
I массе муки увеличивает набухаемость мякиша на 30—40%, вязкость суспензии мякиша — на 13 —30, сжимаемость мякиша — на
в 17—44 % (интервал значений дан за период хранения 12 —96 ч без
Ц упаковки).
|
Увеличение выпуска хлеба с повышенным содержанием струк^| турных полисахаридов и длительным сроком хранения неизбежно
п расширяет спектр препаратов целлюлаз и гемицеллюлаз, приме ■ няемых в хлебопечении. В качестве таких препаратов рекомендуются Вильзим АК, Поликанесцин, Биобейк, Фермизим, Бейк$ займ, Ультразим, Целловиридин, Пентопан, Фунгамил.
ч;
В современном хлебопечении в основном используют муку
I различных сортов, химический состав которой значительно бед;? нее по сравнению с целым зерном. При традиционно сложивших. ся схемах помола зерна самые ценные в пищевом отношении части зерна, богатые белком, витаминами, непереваримыми растиI тельными волокнами, удаляются.
I
В связи с этим среди населения большинства стран мира растет
| популярность зерновых продуктов, и в частности хлеба из цельI ного зерна.
I
Общепринятые технологии производства зернового хлеба пред| усматривают удаление богатого клетчаткой и гемицеллюлозой на[ ружного слоя зерновых.
I
Для совершенствования технологии производства зернового
хлеба применяют ферментные препараты целлюлолитического
действия Пентопан 500 ВС, содержащий ксиланазу, и Фунгамил
| Супер АХ (фирмы «Новозаймс», Дания), содержащий фермент­
ный комплекс из ксиланазы и а-амилазы, а также отечественный
препарат Целловиридин, в состав которого входят целлобиогидролаза, р-глюканаза и ксиланаза.
Ферментные препараты вносят на стадии замачивания зерна при
температуре 50 °С в дозах 0,003—0,006 % для Пентопана 500 ВС,
0,00575—0,015% от массы зерна для Фунгамила Супер АХ и
0,003—0,009 % от массы зерна для Целловиридина.
Пористость и удельный объем хлеба при применении фермент­
ных препаратов увеличиваются вследствие того, что целлюлолитические ферменты способствуют деструкции некрахмальных поли­
сахаридов оболочек и алейронового слоя зерновки. В результате
деструкции происходит накопление низкомолекулярных продук­
тов, используемых в процессе брожения дрожжами, что интенси­
фицирует газообразование в тесте, повышает пищевую ценность и
удлиняет сроки сохранения свежести изделия.
Протеолитические ферменты. Их применяют для регулирования
упругих свойств клейковины муки.
Для улучшения хлебопекарных качеств муки с к о р о т к о р в у щ е й с я к л е й к о в и н о й , тесто из которой имеет низкие пока-
затели растяжимости и разжижения, применяют протеолитические ферменты эндо- и экзопептидазы.
Для хлебопекарного производства наибольшее значение имеют
пептидазы, действующие в зоне рН 3,5 —5,5. Умеренный протеолиз оказывает благоприятное действие на клейковину из муки
нормального хлебопекарного достоинства. Вязкость ее уменьша­
ется, что благоприятно влияет на тесто, объем хлеба и структуру
пористости мякиша.
Бактериальная протеаза по результативности превышает гриб­
ную. Это связано с тем, что в бактериальных препаратах преоб­
ладают протеазы эндотипа, которые необходимы для быстрого
расщепления белка на крупные фрагменты. Применение бактери­
альной протеазы в дозе 0,02 % к массе муки с низкими хлебо­
пекарными свойствами дает увеличение объема хлеба на 37 % и
повышение общей хлебопекарной оценки на 1,5 балла.
В качестве препаратов нейтральной бактериальной протеазы
могут использоваться отечественный Протосубтилин Г20Х и Нейтраза фирмы «Новозаймс».
Большим преимуществом грибных протеаз по сравнению с зер­
новыми является их довольно высокая экзопептидазная актив­
ность, благодаря чему в процессе приготовления теста происходит
накопление аминокисл от. Технологическое значение их очень
велико как для обеспечения дрожжей питанием, так и для интен­
сификации образования меланоидинов в корке хлебобулочных
изделий при выпечке, благодаря чему она становится румяной и
ароматной.
Преимущество в этом отношении имеют препараты, получен­
ные при поверхностном культивировании, поскольку глубинные
почти не обладают экзопептидазной активностью.
Пептидазы комплексных грибных ферментных препаратов наи­
более активны в кислой среде при рН 4,0. При рН 3,3 их актив­
ность несколько снижается.
Наиболее эффективны те препараты, в которых наряду с актив­
ными протеазами имеются активные амилазы. В этом случае не
только увеличиваются объем хлеба и сжимаемость мякиша, но
значительно усиливается окраска корки, улучшается вкус и аро­
мат, возрастает содержание сахара в мякише.
Липаза. В хлебопекарной промышленности сравнительно не­
давно стали использовать ферментные препараты, содержащие
липазу (3.1.1.3: триацилглицеролацилгидролаза), осуществляющую
гидролиз триацилглицеридов с образованием жирных кислот,
моно- и диглицеридов, которые, обладая эмульгирующими свой­
ствами, а также функциональной способностью образовывать
комплексные соединения со структурными компонентами теста —
белками, крахмалом, оказывают положительное влияние на свой-
I
I ства теста и качество готовых изделий. Возможно также окисление
I свободных жирных кислот липоксигеназой пшеничной муки с обI
I
I
I
(
I
I
I
I
I
I
I
[
;
разованием пероксидов. При использовании ферментного препарата Липопан улучшаются свойства клейковины, увеличивается
удельный объем готовых изделий, улучшаются структурно-механические свойства мякиша, наблюдается эффект его отбеливания,
замедляется процесс черствения хлеба.
В технологии хлебопечения используют гидролизованные гриб­
ной липазой масла, содержащие 60 —70% триглицеридов, 2,5%
моно- и 16 % диглицеридов и 9—10 % жирных кислот. Они способствуют улучшению физических свойств теста, интенсифика­
ции брожения и замедлению черствения готовых изделий.
Положительную биохимическую модификацию структурных
компонентов муки (полярных и неполярных собственных ли­
пидов муки) при приготовлении пшеничного хлеба возможно
получить при использовании фосфолипазы. При ее применении
образуются компоненты, обладающие поверхностно-активными
свойствами. Фосфолипаза может быть использована в качестве за­
менителя пищевых эмульгаторов —стеароиллактатов, эфиров монои диглицеридов с диацетилвинной кислотой — в количестве от 50
до 100 % от массы эмульгаторов с достижением аналогичного технологического эффекта.
Окислительно-восстановительные ферменты. Как и протеолитические, эти ферменты используются для регуляции реологических
свойств теста. С их помощью достигается эффект, обратный действию протеаз: укрепление клейковины путем образования дополнительных дисульфидных связей за счет окисления 8 Н-групп бел­
ков. В качестве окислительных агентов выступают соединения,
образующиеся в системах с участием окислительно-восстановительных ферментов. Само окисление сульфгидрильных групп
белков протекает как неферментативная химическая реакция. Эффект укрепления клейковины дополняется сопутствующим сни­
жением протеолитической активности муки, которое вызывается
переходом активатора протеаз — глутатиона — в неактивную
окисленную форму.
В качестве окислительных используют системы, включающие
липоксигеназу или комплекс глюкозооксидазы и каталазы. Окис­
лительно-восстановительные ферменты постепенно вытесняют из
практики хлебопечения химические окислители, такие, как бромат калия.
Под действием л и п о к с и г е н а з ы (1.13.11.12: линолеат: кислородоксидоредукгаза) происходит образование гидропероксидов
ненасыщенных жирных кислот, которые и окисляют далее другие
соединения, в частности белки по сульфгидрильным связям, а
также каротиноидные пигменты, что приводит к осветлению тес-
та. При наличии в системе аскорбиновой кислоты происходит
образование дегидроаскорбиновой кислоты, которая выполняет
роль окислителя сульфгидрильных групп белков. Это усиливает
действие липоксигеназы. Субстратами для нее служат свободные
жирные кислоты, поэтому целесообразно вносить препарат липа­
зы в рецептуры теста, включающие жиры.
Г л ю к о з о о к с и д а з у (1.1.3.4: р-Э-глюкоза: 0 2-оксидоредуктаза) используют в комплексе с к а т а л а з о й (1.11.1.6: Н20 2:
Н 20 2-оксидоредуктаза). При окислении глюкозы глюкозооксидазой образуются глюконовая кислота и пероксид водорода — ак­
тивный окислитель. Избыточный Н 20 2, не участвующий в окис­
лительных процессах, может быть удален из системы, что до­
стигается с помощью катал азы, разлагающей пероксид на воду и
кислород. Окислительное действие глюкозооксидазы усиливается
при сочетании с аскорбиновой кислотой, которая в присутствии
пероксида водорода окисляется в дегидроформу.
Система, включающая глюкозооксидазу, может активно рабо­
тать при наличии глюкозы, которая появляется при гидролизе
сахарозы и мальтозы дрожжевыми ферментами — инвертазой и
мальтазой. Поэтому применение глюкозооксидазы эффективно
при высокой ферментативной активности дрожжей. Для повыше­
ния содержания мальтозы в среду вводят препарат грибной (мальтогенной) а-амилазы.
Окислению сульфгидрильных групп белка препятствуют ассо­
циированные с ними ксиланы. Для повышения доступности белка
используют ксиланазы. Так складывается система: глюкозооксидаза + каталаза + аскорбиновая кислота + грибная а-амилаза +
+ ксиланаза. Она может быть дополнена бактериальной а-амилазой для замедления черствения хлеба.
Рекомендуют следующий порядок введения компонентов в тес­
то: готовят суспензию ферментативно активных дрожжей с добав­
лением сахара, аскорбиновой кислоты и препарата глюкозоокси­
дазы и каталазы, отдельно — раствор амилаз и ксиланазы. Эти
композиции вводят в тесто, приготовляемое по интенсивной тех­
нологии. Применение комплекса ферментов дает увеличение
удельного объема хлеба на 33 —34 %, пористости — на 3—4, сжи­
маемости мякиша — на 40—41 % по сравнению с контролем, где
использовалась только аскорбиновая кислота.
Окислительные системы с липоксигеназой и глюкозооксидазой
существенно влияют на реологические свойства теста: повышает­
ся его упругость, снижается растяжимость, возрастает интенсив­
ность газообразования при брожении.
С использованием окислительных систем, включающих липоксигеназу и глюкозооксидазу, разработаны комплексные хлебо­
пекарные улучшители (Фортуна, Топаз, Шанс, Мультэнзим и др.).
В их составе использованы препараты Глюзим (глюкозооксидаза + каталаза), Фунгамил, Новамил, Пентопан (ксиланаза), Липопан (липаза), ферментативно активная соевая мука (источник липоксигеназы), а также аскорбиновая кислота.
5.5. ФЕРМЕНТАТИВНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ДОБАВОК ПИЩЕВЫХ
И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
ДЛЯ ХЛЕБОПЕЧЕНИЯ
Белки — один из главных и обязательных компонентов здоро­
вого и полноценного питания. Растительные белки дешевле жи­
вотных и могут применяться как в производстве продуктов мас­
сового спроса, так и в изделиях лечебно-профилактического и
диетического назначения благодаря высокой биологической ак­
тивности, хорошей усвояемости и уникальности функциональных
свойств. Перспективным нетрадиционным источником пищевого
растительного белка являются получаемые при помоле зерна пше­
ничные отруби (15—26 % от перерабатываемого сырья). На долю
белка в составе отрубей приходится 25—29 % общего его количе­
ства в сырье.
Выделение белка из отрубей в виде б е л к о в о г о к о н ц е н ­
т р а т а достигается ферментативным катализом с использованием
препарата Целловиридин Г20Х из расчета 50 ед/г пшеничных от­
рубей. При этом выход белка составляет 70 %. Полученный белко­
вый концентрат может быть использован для обогащения хлеба и
хлебобулочных изделий.
Эффект максимального обогащения хлеба белком достигается
при внесении белкового концентрата из пшеничных отрубей
(60 % белка) в виде белково-липидных композитов в количестве
12 % к массе муки при ускоренном приготовлении теста. Содер­
жание в хлебе белка со сбалансированным аминокислотным со­
ставом увеличивается на 40 %, лизина и треонина — на 49 и 28 %
соответственно. Улучшаются показатели степени свежести хлеба:
общая деформация и удельная набухаемость мякиша повышаются
на 13-14% .
Получение гидролизатов вторичных продуктов различных про­
изводств. Получение таких продуктов представляет отдельную
технологическую задачу хлебопечения, актуальность которой оп­
ределяется расширением сырьевой базы и ассортимента хлебобу­
лочных изделий.
В рецептуру хлебобулочных изделий вводят вторичные продук­
ты консервного производства: томатные, яблочные, цитрусовые
выжимки, являющиеся источником пищевых волокон, пектина,
гемицеллюлозы и целлюлозы, способных оказывать лечебно-профилактическое действие, нормализуя обмен веществ и работу пи­
щеварительного тракта.
Обработка препаратами целлюлаз в концентрации 1 % к массе
сырья при температуре 55 °С, рН 4 —4,5, продолжительности гид­
ролиза 6 — 8 ч изменяет структуру выжимок, повышает содержа­
ние глюкозы.
Гидролизаты вторичных продуктов могут использоваться при
производстве пшеничного хлеба, где оптимальная доза гидролиза­
тов составляет 8—15 % к массе мутей, при этом в готовых изделиях
увеличивается количество редуцирующих сахаров и ароматических
веществ, улучшается структура, замедляется процесс черствения.
При введении в пшеничный хлеб оптимального количества
ферментативного гидролизата облепихового шрота (13% массы му­
ки) удельный объем хлеба увеличивается на 10,5 %, пористость —
на 15 %, длительность брожения сокращается на 30—40 мин. Хлеб
обогащается Р-каротином, незаменимыми аминокислотами, полиненасыщеиными жирными кислотами.
При введении гидролизата соевой обезжиренной муки — вто­
ричного продукта производства соевого масла — в среду для акти­
вации хлебопекарных дрожжей их бродильная активность повы­
шается в 2 раза, что положительно влияет на процесс приготовле­
ния теста и качество хлеба. Высокая степень расщепления соевого
белка (67,5 %) достигается при двухстадийном гидролизе с ис­
пользованием на первой стадии Амилоризина П 1ОХ, на второй —
Протосубтилина Г1ОХ.
Для хлебопекарного производства рационально использовать
гидролизаты нетрадиционного сырья — амаранта.
При получении амарантового масла в качестве побочного про­
дукта накапливается углеводная фракция, основную долю которой
составляет крахмал (до 75 %). В ее состав входят также белок —
11 %, липиды — 3, клетчатка — 24, моно- и дисахариды — 0,9 %,
поэтому она может быть использована для производства пищевых
продуктов.
Гидролизаты из углеводной фракции амаранта получают, при­
меняя ферментный препарат Ликвамил 1200. Гидролиз ведут в
течение 20мин при температуре 70...72°С и расходе препарата
1—1,5ед. АС/г крахмала. При этом достигается полная декстринизация крахмала и частичное его осахаривание.
Добавление гидролизата в количестве до 3,5 % к массе муки в
тесто позволяет увеличить удельный объем хлеба на 38 %, порис­
тость — на 10, массовую долю сахара — на 25 %, что положительно
сказывается на органолептических показателях качества хлеба.
Таким образом, целенаправленное применение ферментных
препаратов является эффективным средством регулирования тех­
ф
нологического процесса и оптимизации качества хлебобулочных
изделий за счет положительной биохимической модификации
структурных компонентов муки и использования потенциальных
возможностей химического состава сырья хлебопекарного произ­
водства.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные технологические стадии производства хлебобулочных
изделий? 2. Какие способы приготовления теста используют в хлебопечении?
3. Какие биохимические процессы происходят при брожении теста? 4. Что такое
разделка теста? 5. Какие процессы происходят при выпечке теста? 6. Что представ­
ляют собой пшеничные закваски для хлебобулочных изделий? 7. Каковы микро­
биологический состав и свойства пшеничных заквасок? 8. Какие биохимические
превращения протекают под действием ферментов на различных стадиях техноло­
гического процесса? 9. Какие задачи решают в хлебопечении с помощью фермен­
тов? 10. Какие ферментные препараты используют в хлебопечении? 11. С какой
целью в хлебопечении используют амилазы? 12. Что представляет собой высокоосахаренный ферментативный полуфабрикат? 13. Для чего в рецептуры хлебо­
булочных изделий вводят р-галактозидазу? 14. Когда в хлебопечении используют
целлюлазы и гемицеллюлазы? 15. С какой целью в хлебопечении применяют протеолитические ферменты? 16. Какова роль липазы в биохимических превращени­
ях, происходящих в тесте? 17. Какие окислительно-восстановительные ферменты
используют в хлебопечении и с какой целью? 18. Какие добавки пищевых и био­
логически активных веществ для хлебопечения получают с помощью ферментов?
Г ла ва б
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В КОНДИТЕРСКОЙ ОТРАСЛИ
Ферментные препараты микробного происхождения находят
применение в кондитерской отрасли в основном при производ­
стве мучных и в меньшей степени сахарных изделий. Они исполь­
зуются в производстве затяжного печенья, пряников, изделий из
слоеного теста и т. д.
При производстве затяжного печенья, где главным является
расслабление клейковины, в технологическом процессе на белки
клейковины наряду с механическим воздействием оказывают вли­
яние протеолитические ферменты муки.
В пшеничной муке из зерна нормального качества активность
протеаз невелика, и поэтому целесообразно усиливать протеолиз в
тесте для затяжного печенья введением препаратов с активными
протеолитическими ферментами.
При производстве пряников сахара, содержащиеся в муке и
другом сырье (патоке, меде), вступают в реакцию окислительно­
восстановительного взаимодействия с азотистыми соединениями
(меланоидинообразование), в результате чего образуются веще­
ства, придающие пряникам приятный вкус и аромат.
Гидролитический распад белков и крахмала может быть уско­
рен и усилен с помощью добавления ферментных препаратов, со­
держащих а-амилазу и протеазу.
Путем применения ферментных препаратов можно ускорить
снятие напряжений (релаксацию), возникающих в слоеном тесте
при прокатке, и усилить протеолиз.
В производстве сахарных кондитерских изделий применение
ферментов, гидролизующих сахарозу, целесообразно для изготов­
ления помадных конфет, сахарного драже, зефира, пастилы, вафель
с фруктово-помадной начинкой и пралиновых конфет. В сухое
жаркое время года эти изделия высыхают до окончания гарантий­
ного срока хранения. Особенно быстро высыхают неглазированные корпуса помадных конфет (за 3—5 сут). Между тем производ­
ство отливных помадных конфет составляет 75 % от всего количе­
ства конфет, вырабатываемых в РФ.
Помада представляет собой гетерогенную систему, состоящую
из твердой и жидкой фаз. Твердая фаза — это кристаллы сахарозы
разной величины. Они окружены жидкой фазой — насыщенным
раствором сахарозы, содержащим некоторое количество глюкозы
и фруктозы.
Качество помады, ее способность таять во рту зависит от соот­
ношения твердой и жидкой фаз, состава жидкой фазы, а также
размеров кристаллов твердой фазы. При подсыхании помады кон­
центрация сахарозы в жидкой фазе возрастает, и при перенасыще­
нии раствора часть ее выделяется в твердую фазу. Скопление
крупных кристаллов сахарозы вызывает появление на помаде
светлых пятен. При углублении процесса помада теряет свое пер­
воначальное качество и превращается в монолитную, твердую, не­
приятную на вкус массу. Предотвратить этот процесс можно с
помощью фермента р-фруктофуранозидазы (инвертазы), осуще­
ствляющей медленный гидролиз сахарозы с образованием фрукто­
зы и глюкозы. Фруктоза — высокогигроскопичное вещество, она
удерживает влагу в изделии и поглощает ее из воздуха при высо­
кой его относительной влажности, предупреждая таким образом
высыхание и черствение помады.
Р-Фруктофуранозидазу применяют в кондитерской промыш­
ленности за рубежом, например, в Японии препараты этого фер­
мента производят из дрожжей и используют при производстве по­
мадных и пралиновых изделий, марципанов, разных начинок, со­
держащих сахарозу.
6.1. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МУЧНЫХ КОНДИТЕРСКИХ
ИЗДЕЛИЙ
Мучные кондитерские изделия могут быть приготовлены из од­
ного теста или из теста и других кондитерских масс.
Классификация мучных кондитерских изделий включает прос­
тые изделия, приготовленные из одного вида теста, и сложные из­
делия, приготовленные из теста и кондитерской массы (рис. 6 . 1).
Для получения такого разнообразия продуктов необходимо
иметь тесто с разными реологическими характеристиками.
Тесто для изделий с большой долей сахара и жира готовят с до­
бавлением химических разрыхлителей; тесто с очень малым со­
держанием сахара — на дрожжах; тесто для изделий со средним
содержанием сахара и жира — на дрожжах с добавлением хими­
ческих разрыхлителей. Чем больше сахара в рецептуре, тем значи­
тельнее он угнетает дрожжи. На химических разрыхлителях гото­
вят разнообразные виды кондитерского теста. Среди них наиболь­
шая доля приходится на пластичное и упругое тесто для печенья.
Сахарное печенье. Сахарное тесто обладает высокой пластично­
стью, т. е. оно хорошо воспринимает и сохраняет придаваемую
ему форму. Технологическая схема производства сахарного пе­
ченья представлена на рисунке 6 .2 .
Сдобное печенье. Поточное производство песочно-выемных
сортов печенья осуществляют на тех же линиях, что и сахарных
сортов печенья.
Поточное производство песочно-отсадных сортов печенья ана­
логично производству сахарных сортов печенья. Отличие состоит
лишь в формовании заготовок, которое осуществляют на отсадоч­
ных машинах.
Затяжное печенье. Затяжное печенье готовят из упругого теста,
которое не воспринимает и не сохраняет придаваемую ему форму.
Мучные кон
изделия
Изготовленные из
и других кондитерск
Изготовленные из одного вица
Сдобное
Вафли
Пирож
Пряники
I мучных кондитерских
и
Рис. 6.1. Классификация
изделий
масс
Торты
Эмульсия из воды и жира,
сахар, смесь муки и
крахмала
Смешивание компонентов по рецептуре
Замес теста, 0М5-2О %, время 15-20 мин
температура 22...25 *С
Подача
к штампующей машине
Получение тестовых заготовок с рисунком
печенья, температура 100...350 *С
Воздух
—3—4 м/с
температура 20...25
Автоматическое
Рис. 6.2. Основные технологические стадии производства сахарного печенья
Эмульсия из воды и масла,
сахар, разрыхлитель, мука
теста, время 30-60 мин
температура 40 "С
Подача теста порциями на реверсивную
тестопрокатную вальцовую машину
в ленту в ламинаторе
время 2-2,5 ч
ленты
Вырубка
к штампу
тестоштампом
температура 20...25 *С
Автоматическое завертывание в пачки
Основные технологические стадии произволе™, затяжного печены,
Затяжное печенье всегда имеет проколы (для выхода части газов и
удаления влаги), на его поверхности, как правило, отсутствует ри­
сунок, в редких случаях на нее наносят простейший рисунок или
надпись. Технологическая схема производства затяжного печенья
представлена на рисунке 6.3.
Галеты и крекеры. Отличительной особенностью производства
галет и крекеров является то, что их вырабатывают из дрожжевого
теста. Обычно применяют опарный способ приготовления теста.
Опара представляет собой жидкое тесто из муки, воды, дрожжей и
сахара влажностью 52—60%. Для приготовления опары компо­
ненты тщательно перемешивают до однородной сметанообразной
консистенции и оставляют.при температуре 32...34'С на 1 ч для
галет и 8 ч для крекеров. На первой стадии брожения теста под
действием амилолитических ферментов на крахмал и декстрины
муки образуется мальтоза, которая расщепляется ферментом мальтазой на две молекулы глюкозы. Фермент р-фруктофуранозидаза,
содержащийся в дрожжах, разлагает сахарозу на глюкозу и фрук­
тозу. Образовавшиеся простые сахара служат пищей для размно­
жающихся дрожжевых клеток. Затем наступает вторая стадия бро­
жения, на которой благодаря усиливающемуся действию другого
фермента дрожжей — зимазы — на простые сахара (глюкозу и
фруктозу) происходит образование диоксида углерода и спирта.
Продолжительность замеса галетного теста доходит до 50 мин,
крекерного — до 60 мин. Температура теста не выше 35 вС. Влаж­
ность теста для простых галет из муки I и II сортов 33—34 %, из
обойной пшеничной муки — 36, для улучшенных — 30 —31, для
диетических — 26—31 %. Влажность теста для крекеров 26 —31 %.
Готовое тесто оставляют для брожения на столах или в дежах.
При брожении теста протекают те же процессы, что и при приго­
товлении опары. В процессе брожения увеличивается его кислот­
ность и повышается температура на 2...3 °С. Формуют изделия из
теста для галет и крекеров так же, как и затяжное печенье.
Пряники. Они относятся к сложным мучным кондитерским
изделиям, глазированным сахарной помадой, содержащим много
сахара и различные вкусовые добавки. К пряникам относятся и
коврижки — прослоенные начинкой или вареньем выпеченные
полуфабрикаты из пряничного теста, их также глазируют сахар­
ной помадой. Коврижки имеют плоскую прямоугольную форму с
рисунком на верхней поверхности. Пряники бывают сырцовыми
и заварными.
Пластичное тесто для с ы р ц о в ы х п р я н и к о в можно гото­
вить так же, как и для сахарного печенья, т. е. из эмульсии и муки
в машинах непрерывного действия, а на небольших предприяти­
ях — в месильных машинах периодического действия, в которые
загружают все сырье без химических разрыхлителей и муки. После
получения однородной эмульсии добавляют раствор химических
разрыхлителей и муку и замешивают в течение 12 мин при температуре не выше 22...25"С. Формование пряников производят на
отсадочной машине, где тесто циклически выдавливается в виде
жгутов и от них струной отрезаются заготовки, которые ровными
рядами ложатся на ленту или металлический лист (трафарет), где
их и выпекают, подобно печенью.
Для предотвращения высыхания пряников при хранении их
поверхность поливают сахарным сиропом концентрацией 70 %
при температуре 85... 90 “С. Эта операция называется глазированием. После глазирования пряники сушат в цехе либо в сушилках.
Чтобы получить пластичное тесто для изготовления з а в а р н ы х п р я н и к о в , муку заваривают горячим (температура более
65 °С) сахаромедовым, сахаропаточно-медовым сиропом. Для этого готовят сироп согласно рецептуре, нагревают, вливают горячий
сироп в месильную машину, снабженную охлаждающей рубашкой,
и добавляют муку. Тесто перемешивают в течение 10—15 мин.
Затем в рубашку месильной машины подают холодную воду и,
продолжая перемешивание теста, охлаждают его до температуры
25 “С. К охлажденному тесту добавляют все остальное сырье по
рецептуре и вновь перемешивают до получения однородной кон­
систенции.
Формуют, выпекают, глазируют и сушат заварные пряники так
же, как и сырцовые.
6.2. ЦЕЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В КОНДИТЕРСКОЙ ОТРАСЛИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
Для большинства мучных кондитерских изделий требуется
мука со средним содержанием слабой по качеству клейковины,
обычно вырабатываемой из мягких пшениц.
В РФ специальной муки для кондитерской отрасли не произво­
дят. Используют хлебопекарную муку из смеси зерна мягких и
15—20 % твердых пшениц. Для улучшения качества сырья и про­
текания основных биохимических процессов в тесто добавляют
необходимые ферментные препараты.
Цели использования ферментных препаратов в производстве
мучных кондитерских изделий различных ассортиментных групп
неодинаковы.
Для интенсификации производства и улучшения качества г а л е т
и к р е к е р о в , изготовляемых на дрожжах, целесообразно приме­
нение комплексных ферментных препаратов с преобладанием протеолитического действия, содержащих в своем составе а-амилазу.
-1
|;
I
||
|
1
.]
|
]
9
1
|
!
|
Совокупное действие этих ферментов обеспечивает дрожжи сбра­
живаемыми углеводами (мальтозой) и усваиваемыми низкомоле­
кулярными азотистыми веществами при брожении полуфабрикатов.
Часть неиспользованных при брожении сахаров и азотистых
веществ в процессе выпечки вступает в реакцию окислительно­
восстановительного взаимодействия, результатом которой являет­
ся меланоидинообразование. Благодаря этому галеты и крекеры
приобретают интенсивную окраску, приятный вкус и аромат.
Протеолитические ферменты, воздействуя на белки клейкови­
ны, вызывают изменения ее физических свойств и таким образом
влияют на изменение реологических свойств теста, ускоряя его
созревание.
Для производства з а т я ж н о г о п е ч е н ь я , изготовляемого
на химических разрыхлителях, наиболее целесообразно примене­
ние протеолитических ферментных препаратов, однако а-амилаза,
находящаяся в них в качестве сопутствующего фермента, не меша­
ет их использованию.
Для з а в а р н ы х и с ы р ц о в ы х п р я н и к о в наибольшее
значение имеют протеазы, но наряду с необходимостью регули­
руемого расслабления теста важным является сохранение их све­
жести (мягкости). Поэтому наиболее целесообразно применение
комплексных ферментных препаратов с преобладанием протеолитического действия.
Для производства б и с к в и т н о г о п о л у ф а б р и к а т а ис­
пользуют комплексные ферментные препараты с умеренной ак­
тивностью протеолитических ферментов и невысокой а-амилазной (декстринирующей). Такое сочетание ферментов обеспечива­
ет умеренное расслабление клейковины, способствующее лучшему
подъему теста при выпечке и образованию тонкопористой воз­
душной структуры готовых изделий. Образование декстринов
обеспечивает сохранение свежести изделий.
При приготовлении с л о е н о г о п о л у ф а б р и к а т а для ус­
корения и облегчения обработки теста, а также улучшения его
эластических свойств необходимо применять протеолитические
ферментные препараты для предупреждения усадки изделий при
выпечке.
При получении в а ф е л ь н о г о т е с т а оптимальное сниже­
ние вязкости и ослабление его затягивания, способствующие по­
лучению тонких вафельных листов, достигаются также примене­
нием протеолитических ферментных препаратов. Для получения
хрустящих вафель необходимо, чтобы в тесте образовалось неко­
торое количество декстринов, что может обеспечить действие на
крахмал а-амилазы, сопутствующей протеазам.
Д р о ж ж е в ы е к е к с ы , как и хлебобулочные изделия, нужда­
ются в добавлении комплексных препаратов с высокой акгивно-
стью амилолитических и умеренной активностью протеолитических ферментов.
Итак, для производства мучных кондитерских изделий преиму­
щественное применение находят протеолитические ферменты —
эндо- и экзопептидазы.
*
Обычно микроорганизмы продуцируют комплекс протеолитических ферментов, в котором содержатся и эндо-, и экзопептида­
зы. Для препаратов бактериального происхождения по сравнению
с грибными характерны мощное эндопептидазное действие и
меньшая активность аминопептидаз.
Однако как грибные, так и бактериальные протеолитические пре­
параты пригодны для использования в кондитерском производстве.
Бактериальные протеазы в производстве мучных кондитерских
изделий используют в значительно меньшем количестве, чем
грибные препараты, и с большим эффектом. В грибных препара­
тах могут присутствовать следы липазы, в результате чего наблю­
дается ухудшение аромата печенья.
Дозы протеолитических препаратов в кондитерском производ­
стве обычно значительно выше, чем при производстве хлебобу­
лочных изделий.
Применение препаратов эндопептидаз позволяет снижать ко­
личество сахара в рецептурном наборе сырья с сохранением рео­
логических характеристик теста на прежнем уровне. При произ­
водстве изделий с высоким содержанием сахара во избежание
инактивирования протеазы весь сахар либо большую его часть до­
бавляют в тесто в качестве последнего ингредиента, благодаря
чему протеаза успевает адсорбироваться на белках муки.
Ни тип, ни количество разрыхляющих агентов не оказывают
значительного влияния на активность протеазы в тесте, так как
благодаря буферному действию белков муки эффект рН не так
значителен.
Изолированная клейковина и мука представляют собой суб­
страты с нестабильными свойствами, что влияет на конечный ре­
зультат протеолиза. Разнообразие свойств муки зависит от многих
факторов: типа зерна, сорта, метеорологических условий при веге­
тации, агротехнических мероприятий, что значительно усложняет
выбор ферментных препаратов, подбор оптимальных доз и другие
условия как в хлебопечении, так и в производстве мучных конди­
терских изделий. Для решения этих проблем необходимы техно­
логические испытания.
Производство специальных протеолитических препаратов для
мучных кондитерских изделий в РФ пока не организовано, но на­
мечается на ближайшую перспективу.
Из зарубежных ферментных препаратов в настоящее время на
нашем рынке предлагаются протеолитические препараты: Рапа-
туше, Альфамальт ЛКУ-4020, 5еса1оп, Нейтраза, Нако Ргох, Ргогуш, Ргогуте-5, 51аг-2уше рго1еазе, Регшех МТ, РгоЯех, Рго1еа$е-30,
Рго1еазе-41, ТТ-Рго1ео1у1гс 200. Последний препарат содержит не­
которое количество а-амилазы, и его применяют в производстве
хлеба, а также при выпечке крекеров, ванильных сухарей, овсяно­
го печенья и других мучных изделий.
Указанные препараты обладают свойствами: улучшать растя­
жимость теста, его газоудерживающую способность; выдерживать
механические воздействия; ускорять релаксацию (снятие напря­
жений после механических воздействий); улучшать структуру из­
делий; смягчать мякиш; увеличивать объем изделий; усиливать
аромат, вкус и окраску корки.
Специально для мучных кондитерских изделий предназначены
грибная протеаза Рапатуте, действующая при температуре 30...58 °С
и рН 4—9, и бактериальная протеаза Рго1ета$а, которая действует
при температуре 20... 50 “С и рН 5,8—8.
За рубежом считают, что при производстве кондитерских из­
делий длительного хранения предпочтительно использовать
пшеничную муку с низким содержанием белка и слабой клейко­
виной. Для ослабления структуры белка в рецептуру вводят, на­
пример, метабисульфит натрия. В последние годы его примене­
ние в большинстве стран ЕС и США признано небезопасным, а в
некоторых странах запрещено законодательством, в том числе и
в РФ, для производства детского питания. Для исключения из
производства мучных кондитерских изделий экологически не­
безопасного химического соединения в РФ разработан мультиэнзимный препарат Протозим. Он содержит сбалансированный
комплекс ферментов, направленно действующих на основные
компоненты муки и обеспечивающих получение теста с задан­
ными реологическими свойствами. С этой же целью используют
протеазы фирмы КоЬш Уегоп Р, Уегоп 1Л0 и ферментные препа­
раты, полученные из папайи, которые влияют на белковый кар­
кас теста.
Таким образом, признавая, что главную роль в кондитерской
отрасли играют ферменты протеолитического действия, следует
считать, что в производстве большинства мучных кондитерских
изделий присутствие в комплексных препаратах а-амилазы спо­
собствует интенсификации производства и улучшению качества
готовых изделий.
Кроме протеолитических и амилолитических препаратов зару­
бежные фирмы предлагают ферментные препараты, катализирую­
щие гидролиз некрахмалоподобных полисахаридов, присутствую­
щих в муке в виде гумми-веществ (слизей).
Деградация гумми-веществ муки микробными ферментами
снижает вязкость и увеличивает объем теста, предназначенного для
производства вафель, бисквитов и других мучных кондитерских
изделий.
В результате добавления ферментных препаратов, содержащих
р-эндоглюканазу, возрастает пористость бисквита, улучшается его
сжимаемость, эластичность, дольше сохраняется свежесть. Биск­
вит отличается тонким и нежным вкусом и более выраженным
ароматом. При промочке ароматическим сиропом он лучше намо­
кает, одновременно сохраняя структуру.
Снижение вязкости и улучшение консистенции бисквитного
теста, его эластических свойств происходит благодаря гидролизу
слизистых веществ муки, который катализируется ферментом р-эндоглюканазой.
Ферментные препараты подобного типа (гуммаза НР-150, пентозаназа и др.) производятся за рубежом.
Эффективно применение ферментов пентозаназ, катализирую­
щих гидролиз пентозанов в тесте.
В качестве препаратов р-фруктофуранозидазы (инвертазы) мо­
гут служить пивные и хлебопекарные дрожжи, а также выделен­
ный из пивных дрожжей препарат Инвертин, разрешенный Ми­
нистерством здравоохранения РФ для использования в пищевой
промышленности. Инвертин получают из автолизата пивных дрож­
жей низового брожения.
Разработан способ эффективного применения инвертина в ус­
ловиях механизированного поточного производства конфет из
сахарной и помадной массы, подвергающейся воздействию темпе­
ратуры 85 °С в течение 30 мин. Инвертин в установленной дозе
вводят при размешивании в помадную массу, подготовленную для
отливки, в виде смеси с такими веществами, как сгущенное с саха­
ром молоко, яичный меланж, сливочное масло, яичные белки.
Эти вещества играют защитную роль по отношению к инвертазе
при воздействии высокой температуры.
В условиях поточного производства достаточно активной дозой
инвертина является 6000 ед. на 1 кг помадной массы при темпера­
туре не выше 85 °С и продолжительности ее воздействия не более
30 мин.
Зефир и пастила с инвертином до конца установленного срока
хранения сохраняют свежесть и мягкость, не покрываются гру­
бой кристаллической корочкой, что свойственно изделиям без ин­
вертина.
Применение инвертина в вафлях с фруктово-помадной на­
чинкой позволяет сохранить хорошее качество продукции на
протяжении всего гарантийного срока хранения (3 мес), в то вре­
мя как без инвертина эти изделия теряют свои потребительские
качества. Драже с инвертином сохраняется мягким при раску­
сывании.
При изготовлении перечисленных изделий рекомендуется вво­
дить инвертин в пастильную и зефирную массу в конце сбивания,
а в начинку для фруктово-помадных вафель — при температуре не
более 60 °С, до введения кислоты и эссенции; при изготовлении
сахарного драже — в сироп при температуре не более 55 °С.
Целесообразно применять инвертин при производстве помад­
ных конфет, покрытых шоколадной глазурью. Корпусам таких
конфет, защищенным глазурью, помокрение даже в помещении с
повышенной относительной влажностью воздуха не угрожает.
Значительный интерес представляют некоторые ферменты для
производства диетических кондитерских изделий. Так, целесооб­
разно исследовать вопрос о применении фермента глюкозоизоме­
разы, катализирующей превращение глюкозы во фруктозу, реко­
мендуемую для потребления при заболевании диабетом и для лиц
с избыточной массой.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируются мучные кондитерские изделия? 2. Из каких основ­
ных технологических стадий состоит процесс производства сахарного печенья?
3. Каковы особенности технологии затяжного печенья? 4. Какова технология га­
лет и пряников? 5. Каковы особенности технологии пряников? 6. С какой целью и
какие отечественные ферментные препараты используют в кондитерской отрас­
ли? 7. Какие импортные ферментные препараты предлагаются для кондитерской
отрасли? 8. Каковы особенности ферментных препаратов, используемых в конди­
терском производстве? 9. Какие требования предъявляются к ферментным препа­
ратам в кондитерской отрасли? 10. Какие превращения биополимеров муки про­
исходят под действием ферментов на стадиях технологического процесса произ­
водства кондитерских изделий? 11. В технологиях каких кондитерских изделий
применяются ферменты в настоящее время и как они влияют на качество этих
изделий?
Г ла ва 7
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ПЛОДОВО-ЯГОДНЫХ
И ВИНОГРАДНЫХ СОКОВ, ВИН
И БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ
Применение ферментных препаратов наиболее перспективно в
производстве плодово-ягодных и виноградных соков, вин и безал­
когольных напитков. Ферментные препараты должны удовлетво­
рять требованиям, предъявляемым технологией получения конк­
ретного продукта к типу катализируемых реакций и к условиям их
действия, т. е. рН, температуре и некоторым другим факторам,
обусловливающим эффективность действия препарата в данной
среде. Чтобы получить ясное представление о том, каким должен
быть ферментный препарат того или иного назначения, и пра­
вильно определить технологические режимы его применения, не­
обходимо установить, на какой стадии технологического процесса
он должен быть использован, какие превращения он должен осу­
ществлять и на какие вещества не должен действовать. Поэтому
используют либо набор ферментных препаратов, содержащих
строго определенный комплекс ферментов, либо препараты инди­
видуальных ферментов.
7.1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛОДОВО-ЯГОДНЫХ СОКОВ,
СОКОВ-НАПИТКОВ и вин
Соки получают из разнообразных плодов и ягод. В зависимости
от способов приготовления и состава производят соки следующих
видов:
• натуральные (без сахара, с мякотью или без нее);
• купажированные (смешанные соки различных плодов: гру­
шево-яблочный, яблочно-вишневый, яблочно-виноградный, яб­
лочно-клубничный, яблочно-земляничный и др.);
• концентрированные (с содержанием сухих веществ 55—70 %).
В большинстве плодов и ягод до 90 % питательных веществ на­
ходятся в растворенном состоянии, поэтому плодовые и ягодные
соки по своим пищевым и диетическим свойствам практически не
уступают свежим фруктам.
На соки перерабатывают яблоки, вишни, абрикосы, сливы,
черную, красную и белую смородину, малину, крыжовник, земля­
нику, виноград, цитрусовые и дикорастущие ягоды. Из ягодных
соков наиболее ценятся черносмородиновый и малиновый соки.
Производство яблочных пастеризованных соков. Для переработ­
ки на соки наиболее пригодны сорта яблок с умеренной кислот­
ностью и повышенным содержанием сахаров (соотношение со­
держания сахаров, %, к содержанию кислот, %, — 20:40).
Наиболее приятные по вкусу соки изготовляют из смеси пло­
дов нескольких сортов яблок в соотношении: 40 —50 % яблок с
умеренной кислотностью и повышенной сахаристостью, 20—30 %
с повышенной кислотностью (например, Антоновка) и 20—30%
яблок ароматных (например, Макинтош).
Для получения сока плоды тщательно моют и сортируют, уда­
ляя подгнившие, с червоточинами и грязные и направляют на из-
9
ш
Ж
8^3
«
мЮ^^^ЙГД
^ЖЙ^ДвШ^ Д р Д
-
I мельчение в дробилку. Ее регулируют так, чтобы дольки плодов
1 по толщине не превышали 3—4мм. Мезга с плододробилок по
I корыту поступает в бункер над свободным поддоном пак-пресса.
8 При отсутствии пак-пресса пользуются обычным винтовым или
й гидравлическим прессом, но загружают мезгу в пакетах.
Прессование мезги продолжается 25 —35 мин. Сок после прес­
сов идет на очистку, где его процеживают через густое сито, наК гревают в трубчатых пастеризаторах до 90 °С и охлаждают до
I 40...45 "С, пропускают через сепараторы и фильтруют на пластин1 чатом фильтре-прессе. Очищенный прозрачный сок пропускают
К через трубчатый вакуум-подогреватель, нагревают до температуры
I 85...90°С и разливают в чистые, предварительно пропаренные
В банки, закрывают стерильными крышками и через 30—40 мин
I охлаждают под душем до температуры 30... 35 °С. Если сок фасуют
К в литровые банки или другие мелкие емкости, то подогревают его
I только до температуры 45... 55 ' С и в герметизированных банках
I пастеризуют в автоклаве при температуре 90 °С (литровые банки —
К в течение 20 мин; пол-литровые банки — 15 мин; банки вместиI мостью 0,35 дм 3 — 10 мин).
В
В последние годы все большее распространение приобретает
I производство соков с мякотью, потому что они значительно поI лезнее осветленных соков, хотя по внешнему виду менее привле| кательны. Для производства соков с мякотью используют экстракI тор, которым отбирается сок с частичками мелкоизмельченной
| мякоти, а также гомогенизатор, доводящий сок с мякотью до однородной консистенции и предотвращающий его расслоение при
I дальнейшем хранении.
Для сохранения натурального цвета сока с мякотью в него до­
бавляют 0,05—0,1 % аскорбиновой кислоты; если яблоки кислые,
то добавляют 3 —5 % сахара, чтобы соотношение сахара и кислоты
' достигло 20:1. После этого сок последовательно пропускают че­
рез гомогенизатор и деаэратор, фасуют, закупоривают и пастери­
зуют так же, как и очищенный сок.
Сливовые и абрикосовые соки. Спелые высококачественные
плоды лучших помологических сортов прогревают паром до раз­
мягчения, протирают на протирочных машинах, специально пред­
назначенных для косточковых плодов. Для придания соку более
приятного вкуса и частичного разжижения протертую массу сме­
шивают с 25—30%-м сахарным сиропом в соотношении, при ко­
тором сахарокислотный индекс равен 25—30, а кислотность — не
менее 0,8 %.
Для того чтобы сок с мякотью сделать однородным по консис­
тенции, его пропускают через гомогенизатор, а затем нагревают до
температуры 45...50 *С, фасуют в тару, герметизируют и пастери­
зуют при тех же условиях, что и яблочный сок.
I
Вишневый сок. Зрелые плоды правильно подобранных и соче­
тающихся сортов моют под душем и измельчают на вальцовых
дробилках так, чтобы не раздавливать косточки; сок отпрессовы­
вают. Выход сока увеличивается и усиливается его цвет, если
вишни перед прессованием быстро нагреть паром до температуры
85...90 °С без предварительного измельчения. Сок после фильтра­
ции смешивают с 65—70%-м сахарным сиропом в таком соот­
ношении, чтобы отношение количества сахара, %, к количеству
кислоты, %, составляло 15:20, а кислотность сока была не менее
0,8 %.
Пастеризуют сок при температуре 85 °С, фасуют и выдержива­
ют горячим так же, как и яблочный сок.
Ягодные соки. Зрелые ягоды смородины, крыжовника, малины
и некоторых сортов земляники имеют кислый вкус, поэтому соки
из них перед пастеризацией подслащивают сахарным сиропом в
необходимом количестве для того, чтобы довести сахарокислот­
ный индекс до 15—20, не уменьшая содержания кислоты ниже
0,8—1,2 % (для сока из черной смородины 1,5 %).
Ягоды из красной и белой смородины после измельчения на
вальцовых дробилках направляют на прессование. Черную сморо­
дину, малину и крыжовник подогревают до температуры 85 °С без
измельчения, а потом прессуют. Ягоды земляники перед прессо­
ванием не подогревают и не измельчают.
Сок фильтруют, смешивают с 60—70%-м сахарным сиропом,
при возможности деаэрируют, затем разливают в мелкую тару и
пастеризуют при температуре 85 °С.
Из ягод производят также и гомогенизированные соки с мя­
котью, т. е. прогретую массу пропускают через протирочную ма­
шину. После смешивания с сахарным сиропом соки пропускают
через гомогенизатор, подогревают до температуры 50 °С, деаэри­
руют, фасуют в мелкую тару и пастеризуют в автоклавах при тем­
пературе 85 °С.
Производство плодово-ягодных соков-напитков. В общем виде
технологическая схема производства плодово-ягодных соков-на­
питков (натуральные, осветленные, купажированные, с сахаром)
предусматривает выполнение операций, последовательность кото­
рых приведена на рисунке 7.1.
При производстве натурального сока поступившие на перера­
ботку плоды и ягоды направляют на мойку, после чего их инспек­
тируют, измельчают и обрабатывают полученную мезгу. Мезгу,
плоды и ягоды, если нет необходимости в их измельчении, на­
правляют на прессование; полученный сок процеживают и от­
правляют в емкости для сбора сока.
При производстве осветленного сока часть его подвергается
осветлению путем оклейки, сепарированию, после чего сок подо-
Сок натуральный и
Сок с мякотью
Мойка
Мойка
Инспектирование
Инспектирование
Удаление
Обработка мезги
Измельчение
Прессование
Прогревание
Протирание
путем
Подогревание
Охлаждение
| Подогревание [
|
Подслад
Гомогенизация
Сепарирование
Подслащивание
Фильтрование
Деаэрация
Подогревание
Подготовка тары
и крышек
Фасование
Стерилизация
Оформление готовой
продукции
Хранение
Реализация
7.1. Принципиальная технологическая схема производства плодово-ягодных
соков-напитков (натуральные, осветленные, купажированные, с сахаром)
гревается, охлаждается и направляется на фильтрование, а затем
на деаэрацию.
,
>
Производство натурального купажированного сока существен­
но не отличается от производства осветленного сока. При необхо­
димости соки подвергаются подслащиванию.
Далее соки подогревают, фасуют в специально подготовленную
тару, стерилизуют и оформляют в виде готовой продукции.
Плодово-ягодные вина. Плодово-ягодное вино — это напиток,
полученный путем спиртового брожения сока или мезги свежих
плодов и ягод либо сока, полученного из предварительно подброженной мезги с добавлением спирта (за исключением вин, содер­
жащих избыток СС>2, столовых и некрепленых) и сахара.
В целом технология плодово-ягодного виноделия имеет много
общего с технологией виноградных вин, так как в их основе лежат
единые принципы, требующие проведения последовательного ря­
да определенных технологических операций (рис. 7.2).
Различие заключается в химическом составе и технологических
свойствах сырья, используемого для приготовления плодово-ягод­
ных вин.
.,. ^ .
Плодово-ягодные вина подразделяются на сортовые и куп ажные. С о р т о в ы е в и н а вырабатывают из одного сорта данного
вида плодов или ягод, а также из нескольких сортов одного вида
плодов или ягод; к у п а ж н ы е в и н а — из смеси соков разных
видов плодов и ягод.
Д
ЗЙ дг
а
Ополаскивание Инспекция
Нагревание Дозиро- Обработка
вание ферментами
Дробление
спиртов.
озлив
Стекатель
Прессование
Брожение Отстаивание
Купаж
Отдых
Фильтрация
Рис. 7.2. Принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения плодовоягодных вин
Сырье, поступающее на переработку, должно быть в стадии
технической зрелости.
Плоды транспортируют на переработку навалом в кузовах авто­
машин или в ящиках и контейнерах. Выгрузку сырья осуществля­
ют в приемные бункера. Сырье из бункера подается транспорти­
рующими устройствами, элеваторами и транспортерами на мойку
и инспекцию — операции, которые являются специфичными для
плодово-ягодного виноделия, поскольку сырье нередко поступает
на винзавод загрязненным различными посторонними примеся­
ми. Мойка осуществляется в унифицированных моечных маши­
нах для разнообразного сырья. Некачественные, поврежденные
плоды, листья, траву и другие посторонние предметы отделяют от
сырья на инспекционных транспортерах, устанавливаемых после
моечных машин. Для измельчения сырья используют дробилки
разных типов. Полученную в результате дробления плодово-ягодного сырья мезгу для предохранения от действия вредной микро­
флоры и предотвращения окисления сульфитируют из расчета до
1000 мг 8 0 2 на 1 кг. Для лучшего извлечения сока мезгу обрабаты­
вают пектолитическими ферментными препаратами, теплом или
проводят настаивание с подбраживанием.
Для извлечения сока обработанную мезгу направляют на стекатели различного типа. Завершающей стадией получения сока яв­
ляется прессование мезги в кассетных и шнековых прессах. Выход
сока составляет от 53 до 85,5 дал/т в зависимости от вида сырья.
Полученный сок осветляют отстаиванием, обработкой осветляю­
щими веществами и ферментными препаратами, затем декантиру­
ют, центрифугируют или фильтруют.
Осветленный сок перед брожением при необходимости подса­
харивают, чтобы входная сахаристость была достаточной для на­
копления в сброженном виноматериале требуемого количества
спирта. В качестве азотного питания для дрожжей рекомендуется
вносить в соки хлорид аммония или раствор аммиака. Сбражива­
ние плодово-ягодных соков осуществляется чистыми культурами
дрожжей ЗассНаготусез сегеутае (5!. у/л/) при температуре 20 “С.
Продолжительность брожения неподсахаренного сока 7 —9 сут.
Сброженные плодово-ягодные соки содержат спирт, как пра­
вило, в количестве 5 об. % и нестойки к микробиологическим за­
грязнениям. Поэтому, если сброженные соки в дальнейшем пред­
полагается использовать для получения крепленых вин, их кон­
сервируют сульфитированием до содержания Н28 0 3 300 мг/дм3
и добавляют этанол до 16 об. %. Такие сброженно-спиртованные
соки являются основным продуктом-полуфабрикатом для произ­
водства крепленых вин.
К купажированию виноматериалов прибегают в том случае,
когда нужно получить однородную партию сортового вина или в
случае производства купажных вин. При купажировании соков
одновременно доводят содержание спирта, сахара и титруемую
кислотность до требуемых кондиций путем добавления в купаж
спирта, свекловичного сахара или меда, лимонной кислоты, а так­
же проводят обработку купажа осветляющими и стабилизирую­
щими средствами.
Виноматериалы, склонные к помутнениям, а также содержа­
щие взвеси, обрабатывают как традиционными средствами (бен­
тонитом, желатином и др.), так и пектолитическими ферментны­
ми препаратами.
•
гМ
Деметаллизацию осуществляют с помощью ионного обмена,
связывания металлов в прочные растворимые комплексы с помо­
щью лимонной кислоты и трилона Б и удаления металлов в виде
труднорастворимых соединений с помощью фосфорсодержащих
комплексов. Обработанные виноматериалы, стойкие к помутне­
ниям, снимают с осадка и фильтруют. Розлив отфильтрованных
вин осуществляют на том же оборудовании, которое предназначе­
но для виноградных вин. Для предотвращения микробиальных
помутнений столовых вин следует использовать бутылочную пас­
теризацию или горячий розлив.
Виноградные вина. К виноградным винам относятся натураль­
ные, оригинальные и специальные. Натуральные вина получают в
результате полного или частичного сбраживания сахара, содержа­
щегося в сусле, без добавления спирта. Схема производства вин
этой группы приведена на рисунке 7.3.
Н а т у р а л ь н ы е б е л ы е с у х и е в и н а получают из вино­
града с содержанием сахара 18—20% и титруемой кислот­
ностью 7—9г/дм3. При получении сусла используют мягкий ре­
жим обработки, исключающий измельчение гребней и кожицы.
Сусло сбраживают при температуре 14... 18 °С с последующим бы­
стрым снятием с дрожжей. В белых винах не допускаются тона
окисленности, поэтому на всех технологических стадиях произ­
водства виноматериал предохраняют от окисления кислородом
воздуха.
Н а т у р а л ь н ы е к р а с н ы е с у х и е в и н а имеют большую
экстрактивность, высокое содержание фенольных веществ. Ви­
ноград перерабатывают по красному способу (см. рис. 7.3).
Натуральные полусухие и полусладкие вина
получают при частичном сбраживании сахаров сусла или мезги
либо купажированием сухих виноматериалов с консервированным
суслом без внесения спирта. Используют виноград белых, розовых
и красных сортов сахаристостью 20—22 %, с титруемой кислотно­
стью 6—Юг/дм3.
.
,
- г 68
В и н о в и н о г р а д н о е о р и г и н а л ь н о е получают путем
полного или частичного сбраживания свежего виноградного сус-
Приемка винограда на переработку
(взвешивание, отбор средней пробы,
разгрузка в приемные бункера)
Раздавливание ягод с
отделением гребней
Белые виноматериалы
Выделение из мезги
сусла-самотека
Прессование стекшей мезги
Сульфитация мезги
Охлаждение сусла
перед отстаиванием
Внесение в сусло
сорбентов и флокулянтов
Осветление сусла
Внесение чистой
культуры дрожжей
Сульфитация мезги
Красные виноматериалы
Схема 1
Схема 2
Схема 3
Внесение
пектолитических
ферментных
препаратов
Тепловая
обработка мезги
Выделение
из мезги
сусла-самотека
Настаивание
на мезге
Брожение
на мезге
Отделение
сброженного
сусла от мезги
Прессование
сбродившей
мезги
Выделение
из мезги
сусла-самотека
Внесение чистой
культуры дрожжей
Прессование
стекшей мезги
Сбраживание
сусла в потоке
Сульфитация
сусла
Экстрагирование
мезги
сброженным
суслом в потоке
Охлаждение
сусла
Сбраживание сусла
Сульфитация
сусла
Осветление
сусла
Внесение чистой
культуры дрожжей
Отделение
сброженного
сусла от мезги
Прессование
сбродившей
мезги
Сбраживание
сусла
Дображивание сусла
Снятие с дрожжевого осадка
Сульфитация
Эгализация виноматериалов
Рис. 7.3. Стадии получения натуральных виноградных вин
ла, мезги или восстановленного виноградного сусла с использова­
нием пищевой вкусоароматической добавки или без нее.
С п е ц и а л ь н ы е вина — крепкие, д е с е р т н ы е и ли­
к е р н ы е — получают полным или неполным сбраживанием сус­
ла или мезги с добавлением этанола. Допускается использование
концентрата виноградного сока или мистеля. Для производства
крепких и десертных вин используют виноград с высоким содер­
жанием сахара — 24 —26 % и выше.
Одна из наиболее важных причин использования ферментных
препаратов — их действие на полимеры сока, сусла и вина (белки,
пектиновые вещества, нейтральные полисахариды).
Высокомолекулярные вещества, в частности белки, способны
вызывать в виноградных винах помутнения; кроме того, повы­
шенное содержание высокомолекулярных веществ затрудняет
процесс первичной переработки винограда и обработки молодого
вина. Сусло и вина с высоким содержанием этих веществ плохо
осветляются, с трудом поддаются стабилизации. Ферментные пре­
параты, ускоряя процесс гидролиза белков и полисахаридов, спо­
собны повысить стабильность виноградных вин к помутнениям.
Отечественные ферментные препараты, используемые в произ­
водстве соков, напитков и вин, представляют собой комплекс
ферментов пекголитического и протеолитического действия. Кро­
ме того, в препаратах активны мацерирующие ферменты, способ­
ные интенсивно разрушать растительную ткань. Введение таких
препаратов в мезгу увеличивает выход сока. При этом происходит
не только гидролиз высокомолекулярных веществ, но и их экс­
тракция из твердых частиц раздробленных ягод.
7.2. ЦЕЛИ ПРИМЕНЕНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
И БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ФЕРМЕНТОВ НА СТАДИЯХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
В настоящее время ферментные препараты используют для об­
работки ягодной и виноградной мезги с целью ускорения процес­
са отделения сока, увеличения его общего выхода и особенно вы­
хода более высококачественных «самотечных» фракций, ускоре­
ния процесса осветления сока, сусла и молодых виноматериалов,
интенсификации биохимических процессов, протекающих при
созревании вин.
Изучение биохимических процессов, являющихся следствием
воздействия ферментов, внесенных в виноградное сусло или мез­
гу, позволяет сформулировать требования к технологии их ис­
к
й
I
I
■
*
■
В
В
пользования, наметить пути ее совершенствования с целью расширения области применения ферментных препаратов при производстве не только ординарных, но и марочных вин.
Основной биохимический процесс, протекающий в плодовоягодной мезге и соке при его обработке ферментными препаратами или при комплексном применении термической и ферментативной обработки, — гидролиз пектиновых веществ. Но наряду с
этим происходят превращения белков, целлюлозы, гемицеллюлозы и ряда других соединений.
Б
При ферментативной обработке мезги эти превращения вызыI вают полное нарушение первичного состояния тканей плодов, а
К при обработке сока изменяют его осветляющую способность и хиI мический состав.
I
Согласно современным представлениям сокоотдача плодов и
I ягод зависит от клеточной проницаемости тканей плодов; особенI ностей анатомического строения и физико-механических свойств
| сырья; вязкости сока и консистенции плодовой мякоти, зависящей
* от количественного и качественного состава пектиновых веществ.
I Каждая растительная клетка имеет свою собственную оболочку,
I окружающую протоплазму и защищающую клетку от внешних
г воздействий, придавая ей прочность. Отдельные клетки скрепля[ ются между собой с помощью межклеточного вещества, образую­
щего срединную пластинку.
Под клеточной оболочкой находится плазмалемма, регулирую­
щая проникновение в клетку тех или иных соединений.
При извлечении сока из плодов и ягод необходимо обеспечить
выделение его из вакуолей и иметь при этом как можно меньше
обрывков клеток и тканей.
Химический состав клеточного сока различных тканей плодов
и ягод неодинаков. Для большинства видов сырья желательно из­
влекать клеточный сок из основной ткани, не затрагивая при этом
сок покровных и механических тканей. При извлечении сока из
белых сортов винограда переход дубильных веществ из покровной
ткани (кожицы) вызывает резкое ухудшение его качества. Для не­
которых видов сырья, наоборот, желательно извлекать сок не
только из основных, но и из покровных, а иногда и механических
тканей. Для получения высококачественного сока из черники,
черной смородины, ежевики, кизила, терносливы, красных сортов
ткемали и винограда необходимо максимальное извлечение сока
из покровных тканей, содержащих основное количество красящих
веществ. При получении вишневого сока также важно максималь­
ное извлечение сока из покровных тканей, кроме того, для улуч­
шения аромата сока частично извлекают и амигдалин из косточек.
При извлечении сока необходимо учитывать специфичность
строения клеток и тканей плодов и ягод.
Различные формы пектиновых веществ в плодово-ягодном сы­
рье находятся в подвижном состоянии и в значительной степени
обусловливают физико-механические свойства тканей плодов.
Пектиновые вещества подразделяют на несколько групп: про­
топектин — нерастворимое в воде соединение сложного хими­
ческого строения; пектиновая кислота — полигалактуроновая
кислота, в малой степени этерифицированная остатками метано­
ла; пектин — почти полностью этерифицированная пектиновая
кислота; пектовая кислота — полигалактуроновая кислота; пектинаты — соли пектиновой кислоты и пектаты — соли пектовой
кислоты.
Исключительно сложная структура протопектина пока еще
точно не определена, но все же основные очертания этого полиса­
харида можно прогнозировать.
Протопектин — водонерастворимый «материнский» полиуронид растений, в его состав входят пектин, пектиновые вещества,
молекулы целлюлозы, ионы Са, М§, остатки фосфорной и уксус­
ной кислот, сахара и т.д. Протопектин клеточной стенки отли­
чается от протопектина срединной пластинки более высокой сте­
пенью этерификации и меньшим содержанием поливалентных
ионов металлов (Са, М§, Ре).
<ц.
Пектиновые вещества представляют собой полисахариды, со­
стоящие из остатков О-галактуроновой кислоты, связанных а-1,4связью. Они могут быть метоксилированы по шестому углеродно­
му атому. Предельная степень этерификации 16,2 %, обычно в
пектине она не превышает 14,9—15,2 %.
Пектины очень сложны и многокомпонентны. Пектиновые ве­
щества содержат галактуронаны и рамногалактуронаны, в которых
Сб-атом окислен до карбоксильной группы; арабинаны; галактаны
и арабаногалактаны.
Рамногалактуронаны являются основными составляющими
пектиновых веществ.
Главные цепи рамногалактуронанов состоят в основном из ос­
татков О-галактуроновой кислоты, соединенных а - 1,4-связями с
1—4 % а-рамнозных остатков (1 остаток на 25 остатков галактуроновой кислоты), соединенных р-1,2- и Р-1,4-связями с остатками
галактуроновой кислоты. Боковые цепи рамногалактуронанов от­
личаются составом и длиной ответвлений. Длинные растянутые
боковые цепи обычно бывают однородными полимерами, состоя­
щими из остатков либо галактуроновой кислоты, либо арабинозы.
Короткие боковые цепи более разнообразны.
При ферментативной обработке плодово-ягодной мезги и со­
ков пектиновые вещества подвергаются сложным превращениям,
направленность которых зависит от состава ферментов в сырье и
препаратах.
Действие пектолитических ферментов на пектин плодов и ягод
различается по типу разрыва связей (гидролитический или лиазный) и характеру разрыва (концевой или неупорядоченный).
Наиболее изучено действие на пектин пектинэстераз (3.1.1.11)
и полигалактуроназ (3.2.1.15). Пектинэстераза гидролизует пек­
тин — метиловый эфир галактуроновой кислоты по реакции:
Пектин + Н20 = Метанол + Пектовая (полигалактуроновая)
кислота
При этом фермент в первую очередь гидролизует такие метилэфирные группы, которые с обеих сторон окружены свободными
карбоксильными группами.
Полигалактуроназы различаются по атакуемым субстратам и
механизму действия. Эндополигалактуроназа гидролизует молеку­
лу пектина (эндо-ПМГ) или пектовой кислоты (эндо-ПГ) на бо­
лее короткие цепи галактуронана или олигоурониды, что вызыва­
ет резкое снижение вязкости пектиновых растворов.
Под действием экзополигалактуроназ гидролизуются концевые
а - 1,4-связи полигалактуронана, начиная от нередуцирующего кон­
ца цепи.
Скорость расщепления деэтерифицированной молекулы пек­
тина под действием полигалактуроназ в 160 раз превышает ско­
рость гидролиза ^тарифицированного продукта. Это особенно
проявляется при добавлении препарата пектинэстеразы, отщепля­
ющей метальные группы. Считают, что чем меньше метоксильных групп содержит пектин, тем быстрее идет его гидролиз.
Гидролиз пектина происходит в две стадии. На первой стадии
быстро разрывается до 55 % связей, а на второй — происходит
полный гидролиз, но значительно медленнее.
Доказано, что расщепление а-1,4-связей пектиновых веществ
может протекать негидролитическим путем. В результате такого
расщепления образуются ненасыщенные мономерные дериваты
галактуроновой кислоты (4-диокси-5-кетогалактуроновая кисло­
та). Ферменты, катализирующие эту реакцию, были названы
трансэлиминазами.
Установлено, что трансэлиминаза действует так же, как и полигалактуроназа, понижая вязкость пектина и образуя один моль
восстановленного сахара на каждую гидролизованную а-1,4-связь.
Фермент пектинтрансэлиминаза расщепляет ненасыщенные свя­
зи дигалактуроновой кислоты, начиная с восстанавливающего
конца цепи полигалактуроновой кислоты. Пектин при этом гид­
ролизуется, но не до конца. Фермент не гидролизует связанный
пектин (полиметилгалактуронидметилглюкозид), а катализирует
расщепление пектиновых субстратов путем трансэлиминации.
При изучении физико-химического механизма процесса обра­
зования водорастворимых пектинов за счет водонерастворимых
было установлено, что фермент пектинтрансэлиминаза активно
гидролизует молекулы пектина, не действуя на пектиновую кис­
лоту.
Как и полигалактуроназы, лиазы разделяют в зависимости от
предпочитаемого субстрата и механизма действия: по расположе­
нию разрываемых связей — на эндо- и экзофермент, по субстрат­
ной специфичности — на пектинтрансэлиминазу (ПТЭ) и полигалактуронатгрансэлиминазу (ПГТЭ).
Эндофермент с неупорядоченным механизмом действия рас­
щепляет молекулу полигалактуронида в различных местах цепи с
образованием ненасыщенных галактуронидов и олигогалактуронидов. Экзофермент отщепляет концевые остатки ненасыщенной
галактуроновой кислоты. Многими авторами отмечено активизи­
рующее действие ионов Са2+ на ПТЭ.
Предложены следующие схемы действия ПТЭ и ПГТЭ:
Схема действия ПТЭ на пектин
СООН
СООН
ПГТЭ
СООН
СООН
Схема действия ПГТЭ
Ферментативный гидролиз пектиновых веществ — это слож­
ный процесс, протекающий под действием целого комплекса фер­
ментов. Различные ферменты пектолитического комплекса специ­
фичны в отношении действия на молекулу пектина, оптимума рН,
температуры и влияния на их активность различных химических
соединений.
С целью максимального извлечения сока и облегчения его ос­
ветления путем гидролиза пектиновых веществ плодов и ягод не­
обходимо учитывать свойства пектолитических ферментов самого
сырья и вносимых препаратов. В зависимости от химического со­
става сырья нужно вносить препараты с определенным комплек­
сом пектолитических ферментов и создавать оптимальные усло­
вия их действия путем подбора режима обработки.
Для снижения количества отходов, полного размельчения сырья
и получения гомогенных соков с мякотью, не подвергающихся
расслаиванию, большой интерес представляет применение мацерирующих ферментных препаратов, обеспечивающих расщепле­
ние протопектина, но не снижающих вязкость сока.
Установлена зависимость между мацерацией растительной тка­
ни, вызываемой действием ферментных препаратов, и наличием в
препаратах фермента пектинтрансэлиминазы.
Считают, что мацерация растительной ткани является резуль­
татом суммарного действия полигалактуроназ и пектинэстераз в
комплексе с протеазой и гемицеллюлазой.
Главный источник биополимеров, содержащихся в виноградном
вине, — вещества, переходящие из виноградной ягоды в сусло.
Содержание их в сусле колеблется в широких пределах и зависит
от сорта винограда, эколого-географических условий произрас­
тания, технологии переработки винограда и способов обработки
сусла.
Содержание белка и пектина составляет в среднем 54 % от сум­
мы полимеров сусла, на долю высокомолекулярных полифенолов,
нейтральных полисахаридов и прочих полимеров приходится 29 —
60 % от суммы высокомолекулярных веществ.
Белки винограда представлены в основном альбуминами и
глютелинами, глобулины содержатся в небольшом количестве.
Наиболее специфичны к гидролизу виноградных белков кислые
протеазы грибных ферментных препаратов. При значениях рН,
наиболее часто встречающихся в сусле и винах (3,2—3,5), протео­
литические ферменты сохраняют 30—60 % активности, проявляе­
мой в оптимальных условиях. Протеолиз белков сусла и вина
можно считать одним из наиболее перспективных и современных
путей повышения стабильности вина к белковым помутнениям.
7.3. ВЛИЯНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ ОБРАБОТКИ
НА СОКООТДАЧУ ПЛОДОВ И ЯГОД
В соответствии со спецификой плодово-ягодного сырья и це­
лями применения все ферментные препараты можно разделить на
шесть групп:
\
1) предназначенные для получения неосветленных соков, уве­
личивающие выход и повышающие их экстрактивность;
2) предназначенные для получения осветленных обеспектиненных соков, увеличивающие выход, повышающие экстрактивность
и обеспечивающие полный гидролиз пектиновых и белковых ве­
ществ;
3) мацерирующие плодово-ягодную ткань, повышающие выход
и гомогенность соков с мякотью;
4) предназначенные для получения осветленных плодово-ягод­
ных виноматериалов, увеличивающие выход и повышающие экст­
рактивность виноматериалов;
5) способствующие предотвращению окислительных процессов
и развитию аэробных микроорганизмов в соках, винах и безалко­
гольных напитках;
6) катализирующие инверсию сахарных сиропов при производ­
стве товарных сиропов и безалкогольных напитков.
Различные плоды и ягоды требуют дифференцированного под­
хода в отношении подбора режимов ферментативной обработки,
обеспечивающей повышение сокоотдачи. По этим технологичес­
ким признакам плодово-ягодное сырье можно разделить на четы­
ре группы.
К п е р в о й г р у п п е относятся яблоки, айва, груши. В недо­
зрелом состоянии и при технической зрелости они имеют плот­
ную ткань.
Большинство сортов яблок и груш в перезрелом состоянии те­
ряют дренажные свойства. Ткань становится рыхлой; при прессо­
вании каналы для стекания сока закупориваются, что снижает его
выход.
Под действием пектолитических ферментов мезга сырья пер­
вой группы подвергается изменениям, как положительно, так и
отрицательно влияющим на выход сока при прессовании.
В результате действия ферментов ПЭ и ПМГ происходит гид­
ролиз водорастворимых пектиновых веществ.
При наличии в препарате мацерирующих ферментов происхо­
дит расщепление протопектина, вызывающее распад плодовой
ткани и повышение вязкости сока, что снижает его выход. Поэто­
му для повышения выхода сока из сырья этой группы следует при­
менять препараты без мацерирующего действия.
Во в т о р у ю г р у п п у сырья входят клубника, земляника,
ежевика, малина, смородина и другие ягоды, имеющие тонкую
покровную и рыхлую основную ткань. Извлечение сока прессова­
нием из дробленых ягод затрудняется из-за низкой дренажной
способности мезги.
В отличие от сырья первой группы под действием пектолити­
ческих ферментных препаратов в самом начале процесса ткань ягод
я-юл ыпинство клеток разрушаются, клеточная проницаемость
«•растает, а вязкость сока снижается. Выход сока постепенно
5| личивается и, достигнув максимума, остается постоянным.
•Ферментативная обработка мезги ягод приводит к благоприятл м изменениям химического состава сусел и вин. Снижение сош жания пектиновых и белковых веществ, повышение содержания
ж-юсахаров, полифенолов, витамина С, аминного азота, арома'шеских веществ, а также титруемой кислотности и другие измеиш я благоприятно сказываются на качестве вин. Состав летучих
щ >матических веществ образцов вин, подвергнутых ферментативн { обработке, богаче и разнообразнее, чем образцов, полученных
гжтрадиционной технологии. Указанные изменения химического
<аггава сопровождаются улучшением органолептических свойств
л овышением стабильности вин (табл. 7.1).
I Ферментативная обработка ягодной мезги позволяет:
увеличить выход виноматериала из 1 т перерабатываемого
<|эья на 5—15 %:
I '• интенсифицировать в 15 раз переработку ягод на десертные
яде;
I '• обеспечить хорошее осветление виноматериалов;
I '• получить экстрактивные гармоничные вина интенсивной окп ки отличного качества.
| К т р е т ь е й г р у п п е относятся виноград, вишня и другие
фдные культуры, у которых при повреждении кожицы плодов
коть превращается в мезгу довольно жидкой консистенции и
1Чительное количество сока из нее отделяется самотеком. При
4 стких режимах прессования из этих видов сырья можно мака сально извлечь сок, но в большинстве случаев качество его
■зкое.
I Обработка этого сырья дрожжевой полигалактуроназой, не сол )жащей пектинэстеразу, позволяет получать соки высокой чис'■ 'Ы . При внесении фермента в количестве 0,01 % выход сока из
■ асного винограда увеличивается на 15 %, из белого — на 35 %.
Г 'И увеличении выхода сока на 25 % с единицы перерабатывае■го сырья стоимость продукта снижается на 3 —5%. Наиболее
3 фективно действие полигалактуроназы при 30 °С, оптимальные
азультаты достигаются через 12 ч обработки.
| К ч е т в е р т о й г р у п п е относятся все виды сливовых, кизил
Другие косточковые. В недозрелом состоянии плоды этой групимеют плотную ткань, затрудняющую выделение сока. При
февании она сильно размягчается и превращается в пюреобразн ю однородную массу, вьщеление сока прессованием из которой
ольшинстве случаев практически невозможно.
Под действием пектолитических ферментных препаратов в
4 рье этой группы клеточная проницаемость равномерно увели|
I
40 тг
го ГО
*/~» *п
о
7.1. Биохимическая и органолептическая характеристики вин из черной смородины сорта Лия плодородная, полученнь
с использованием ферментных препаратов
Г"*
I
X
и
2
ё
5
5
<п
оо
ГЧ
#
1
Г*о\
40
ь: ГЧ
о
ГЧ
оо
N
ГЧ
ГЧ
I"»
оо
тГ
04
40
оо
04
04
40
тг
оо
от
ШРШ
0*1
№
$
*
о
О
оо
о
О
о\
«о
ГО
М
ГО
Ол
О
гоот
о
о
сч
0
1л
5
о.
о)
со
и
о
ГО
40
ГО
о
40
о
40
го
Г***
ГЧ
г>
т
#1
гм
^
т
Г
3
0
§
рЙ
1
ё
си
о
о
о
о
о
о
ГЧ
о
^
от
от
п
«
п
М
М
-
1
го
го
М
Ю
О
О
- л
о
го N
т
«э*и
ь?
и
+
X
X
X
о
о
о
С и и
тгот
о
Т}-
гч
о
о
ОА Ог>
О О
4)
5
X
X
3
ю
X
X
о
о. о.
о о
1 5
Е
п&> со 2со
2 Е с
ЕГ ч> 0>
а а
Си
о
«о
04
40
«о
гм
М
ГЧ
#
1
тГ
сч
И
§
кX
гч
т
ГО
05г>*
щ
п
N
оо
о
ч>
еьв
о
г
о
$
(2
!*
о.
о:
о
ГЧ
го
оо
Оч
Г4-
О
е *
го
оо
оо"
ч
о
00
•п
X
I
«г
«л
•ч
Iа 5з
21
сьв
•д
с
о
н
я8
о.
ч
*
09
иш
§
X
X
*
о
о.
ю
о
5
оX
2
+
X
X
о
о
и
и
I чивается, количество протопектина и пектина уменьшается и вязI кость снижается, что вызьшает повышение выхода сока.
|
Для сырья этой группы необходимо применять технологичес| кое воздействие, обеспечивающее ускорение действия пектолитических ферментов. Для этой цели успешно применяют предвари­
тельную термическую обработку или замораживание.
!
Например, исследовалось влияние коммерческого препарата
пектиназы С1агех Ь (США) на физико-химические и вкусовые
| свойства сливового сока из шести сортов слив. Плоды до перера­
ботки хранили при температуре —20 °С. Затем их размораживали,
; измельчали и добавляли пектиназу в количестве 0,2 %. Мацера­
цию проводили при температуре 49 °С в течение 3 ч. Отпрессован­
ный сок осветляли бентонитом или желатином, фильтровали, пас­
теризовали. Результатом явилось увеличение выхода сока после
ферментативной обработки на 31—54% в зависимости от сорта
слив. Сок опытных образцов характеризовался прекрасной насы­
щенной окраской, хорошими вкусом и ароматом.
В результате развития тенденции к сбалансированному пита­
нию в индустриально развитых странах мира вырабатываются
порошкообразные смеси для безалкогольных напитков, обога­
щенные биологически активными компонентами, такими, как
экстракты лекарственных растений, зародыши злаковых культур,
продукты пчеловодства, витамины, ферменты, органические кис­
лоты и др.
Во ВНИИПБТ разработана принципиально новая технология
I получения порошкообразных смесей для напитков. Эти продукты
занимают промежуточное место между продуктами питания и леI карственными препаратами. Наиболее перспективная и современ[ ная группа напитков — водорастворимые порошкообразные смеси
на плодово-ягодных и овощных основах с добавлением экстрактов
лекарственных растений. Технологическая схема производства
предусматривает следующие основные этапы:
• первичная подработка плодово-ягодного и овощного сырья;
• получение и концентрирование соков с мякотью;
• получение экстрактов из растительного сырья;
• получение концентрированного полуфабриката и агломери­
рование его с кристаллическим носителем (сахаром);
• измельчение высушенных агломератов, купажирование и фа­
сование.
Первичную переработку сырья рекомендуется проводить по
принятой в консервной промышленности технологии. Для из­
мельчения его применяют дисковые или вальцовые дробилки с
рифлеными валками. Мезгу плодов и овощей необходимо обраба­
тывать ферментными препаратами, предварительно подогрев ее
до 80...85 *С для инактивации окислительных ферментов. Сок из-
влекают прессованием на прессах периодического или непрерыв­
ного действия, соки с мякотью подвергают протирке на машинах
одно- или двукратного протирания.
Для стабилизации дисперсной фазы соки обязательно гомоге­
низируют. Сок может храниться до концентрирования не более
12—16ч при температуре 8...10вС. Концентрирование соков осу­
ществляют в вакуум-аппаратах, роторных испарителях или в реак­
торах, обеспечивающих температуру процесса не выше 75 "С.
Концентрированные соки можно применять при выработке
целого ряда пищевых продуктов, поэтому их подвергают высоко­
температурной кратковременной стерилизации (в течение 20 —30 с
при 110 °С) и хранят при 2...4 °С.
Дистиллят, получаемый при концентрировании соков, целесо­
образно применять для приготовления коллоидных растворов —
стабилизаторов состава напитков. Это позволяет сократить расход
питьевой воды и повысить органолептические свойства готовой
продукции.
ё
Экстракты получают по биотехнологии, обязательным этапом
которой является ферментативный гидролиз сырья. Комплексы
ферментных препаратов выбирают в зависимости от структурномеханических и физико-химических свойств сырья: для корневищ
это цитопектопротоамилолитический комплекс, для трав — цитопектопротеолитический.
Требования и рекомендации к использованию ферментных
препаратов в виноградном виноделии следующие:
• препараты не должны снижать качество вин, оказывать отри­
цательного влияния на вкус, цвет и букет продукта;
• они должны осуществлять интенсификацию процесса пер­
вичной переработки винограда, ускорение и облегчение прессо­
вания, ускорение и улучшение осветления сусла, повышение ско­
рости его фильтрации, увеличение общего выхода и особенно
выхода высококачественных «самотечных» фракций;
• активность ПЭ определяется и лимитируется наличием и ак­
тивностью эндополиметилгалактуроназы в препарате, а в случае
преимущественного содержания в нем эндополигалактуроназы —
собственной активностью ПЭ сусла. Для винограда с низкой ПЭ
способностью препараты должны содержать активную ПЭ;
• ферментные препараты, обладающие низкой мацерирующей
способностью, рекомендуются для использования в производстве
белых столовых вин и шампанских виноматериалов. В производ­
стве красных столовых, крепких и десертных вин следует исполь­
зовать препараты с высокой мацерирующей способностью;
• во избежание потери окраски красными винами и появления
коричневых тонов в белых винах активность окислительных фер­
ментов в препаратах (аскорбинатоксидаза, о-дифенолоксидаза, пер-
В-1 оксидаза) не должна превышать 0,1 ед/мг аскорбиновой кислоты в
1 мин на 1 г препарата при 30 “С;
I
• для обработки сусла и мезги в потоке могут быть использованы только высокоактивные или иммобилизованные ферментные
*| препараты.
7.4.,
ОСВЕТЛЕНИЕ ПЛОДОВО-ЯГОДНЫХ СОКОВ
И ВИНОМАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЕРМЕНТНЫХ
ПРЕПАРАТОВ
Из всех применяемых методов осветления соков и вин наибо­
лее глубокие изменения коллоидных веществ .сока происходят
при действии на них пектолитических и протеолитических фер­
ментных препаратов. С их помощью можно осуществить раз­
рушение коллоидной системы сока, обеспечив этим полное его
осветление.
Процесс осветления соков под действием пектинрасщепляющих ферментов происходит в три стадии: первая — дестабилиза­
ция — характеризуется резким падением вязкости сока и называ­
ется состоянием «ломки»; вторая — седиментация — начинается
от состояния «ломки» и заканчивается при полном выпадении
осадка; третья — окончание пектолиза, определяемое отсутствием
пектинов, осаждаемых ионами Са2+.
При ферментативном распаде пектина образуется метиловый
спирт, наличие которого в пищевых продуктах нежелательно. Од­
нако в плодово-ягодных соках он накапливается в таком незначи­
тельном количестве (24—130 мг/л), что какого-либо токсического
действия оказать не может.
При сравнении с другими методами осветления, при которых
пектин частично осаждается, при обработке ферментами он разла­
гается на растворимые вещества, и при внесении достаточного ко­
личества препарата исключаются случаи неполного осветления.
Во ВНИИПБТ разработана технология повышения коллоид­
ной стойкости полуфабрикатов — плодово-ягодных экстрактов,
концентрированного мандаринового сока и рябинового морса,
применяемых для выработки напитков, подобраны композиции
ферментов, превращающих высокомолекулярные соединения в
низкомолекулярные (табл. 7.2).
Технологический эффект обработки полуфабрикатов компози­
цией ферментов связан в значительной степени со снижением со­
держания высокомолекулярных веществ коллоидной природы. При
обработке рябинового морса, вишневого экстракта, мандариново­
го концентрированного сока, яблочного экстракта разрушаются
7.2. Оптимальное соотношение ферментных препаратов, применяемых для осветле­
ния полуфабрикатов
1
Наименование
полуфабрикатов
Рябиновый морс
(деалкоголизированный)
Вишневый экс­
тракт
Композиция ферментных
препаратов
Ксилоглюканофоетидин
П10Х,
Целловиридин Г10Х
Ксилоглюканофоетидин
П10Х,
Целловиридин Г10Х
Концен­
трация
препарата,
Продолжитель­
ность обработки,
температура
%
0,05
2 ч, 40 “С
0,05
0,05
2 ч, 40°С
0,05
Яблочный экс­
тракт
Ксилоглюканофоетидин
П10Х
0,05
2 ч, 40 °С
Мандариновый
сок концентри­
рованный
Пектофоетидин П10Х
0,05
2 ч, 40 °С
'
пектиновые соединения и полисахариды. Отмечено также значи­
тельное снижение концентрации полифенольных соединений.
Осветляющая способность ферментных препаратов зависит от
наличия в них не только пектолитического комплекса, но и дру­
гих ферментов, среди которых основными являются протеолити­
ческие.
Некоторые плодово-ягодные соки и вина трудно осветляются и
часто мутнеют при хранении из-за наличия в них белковых соеди­
нений. В настоящее время устранение белкового помутнения осу­
ществляется посредством применения термической обработки,
различных оклеивающих веществ и адсорбентов с последующей
фильтрацией. Все эти методы ухудшают качество продукта, обед­
няя его химический состав, кроме того, не всегда достигается же­
лаемый результат.
Более прогрессивным является гидролиз белковых соединений
с помощью протеолитических ферментов.
К настоящему времени изучена эффективность действия раз­
личных пектолитических ферментных препаратов с высокой протеолитической активностью (Пектаваморин, Рапидаза С, француз­
ской фирмы «Сорис», Нигрин ОП) и протеолитического фермент­
ного препарата Протаваморин на белковые вещества плодов и ягод.
Установлено, что ионы Ыа+ и К+ в концентрациях, присущих
плодам и ягодам, являются ингибиторами, а ионы М§2+ и Са2+ —
активаторами действия протеаз.
Различные сахара и кислоты, находящиеся в плодах и ягодах,
по-разному влияют на эффективность действия протеаз. Так, са­
хара активируют действие ферментов, а кислоты действуют как
В ингибиторы. Наиболее сильным ингибитором является винная,
иенее сильным — лимонная и самое слабое действие оказывает
■ яблочная кислота.
к
Установлено, что дубильные вещества кизила, слив и шипов11ника в концентрации выше 0,02 % значительно подавляют дей~ ствие протеаз.
Как отмечалось ранее, при производстве плодово-ягодных со­
ков и безалкогольных напитков иногда применяют консерванты —
сорбиновую кислоту и бензоат натрия, а при производстве вин —
микродозы диоксида серы.
Установлено, что сорбиновая кислота в концентрации 0,05 —
0,06 %, бензоат натрия в концентрации 0,06—0,07 % и диоксид
серы в концентрации 0,03—0,1 % не снижают эффективности
действия протеаз, а при дальнейшем увеличении их концентрации
гидролиз белковых веществ замедляется пропорционально их уве­
личению. Концентрация этанола до 8 об. % практически не сни­
жает активности протеаз, а при дальнейшем ее увеличении эф­
фективность их действия уменьшается. Поэтому при получении
вин протеолитические ферментные препараты необходимо вно­
сить в сбраживаемый сок в начале алкогольного брожения.
На осветляющую способность и стойкость соков и вин при хра­
нении влияют температура, концентрация ферментного препарата
и продолжительность его воздействия.
Обработанные ферментными препаратами соки менее склонны
к помутнению и имеют более полный вкус, чем осветленные дру­
гими методами, что объясняется сохранением веществ, удаляемых
при осветлении другими методами.
7.5.
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ ПОБОЧНЫХ
ПРОЦЕССОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПЛОДОВО-ЯГОДНОЙ МЕЗГИ
И СОКОВ ФЕРМЕНТНЫМИ ПРЕПАРАТАМИ
При обработке плодово-ягодной мезги или сока ферментными
препаратами наряду с желательными протекают и нежелательные
превращения биохимического и микробиологического характера.
При кратковременной выдержке для большинства видов сырья
эти процессы не оказывают существенного влияния на качество
получаемого продукта, но в случае длительной ферментативной
обработки (особенно при получении беспектиновых соков) каче­
ство сока ухудшается, а в ряде случаев продукт может испортиться.
В процессе ферментативного осветления цвет сока из некото­
рых видов сырья может меняться, что связано преимущественно с
окислением дубильных веществ.
Можно предупредить окисление сока добавлением в него ан­
тиокислителей: аскорбиновой кислоты, диоксида серы, фермента 1
глюкозооксидазы и др.
*1 I
Аскорбиновая кислота даже в очень малых дозах (до 5 мг/дм3) I
обеспечивает предотвращение окислительных процессов, она лег- |
ко разрушается, но и при конечном ее содержании 1 мг/дм3 она
оказывает благоприятное действие.
I
Одним из наиболее распространенных методов предотвраще­
ния микробиологических и окислительных процессов можно счи- ,
тать термическую обработку сырья.
1
Действия окислительных ферментов, даже в случае предвари- ]
тельной термической обработки сырья, невозможно избежать, так [ I
как большинство предлагаемых на рынке пектолитических фер­
ментных препаратов наряду с гидролитическими содержат и окис­
лительные ферменты.
Для сырья, окисление которого вызывает резкое снижение его
полезных свойств и вкусового достоинства (айва, фейхоа, земля- :
ника, яблоки, виноград и др.), при длительной обработке фер­
ментами необходимы консерванты, угнетающие микрофлору, и
антиокислители, предохраняющие сырье от окисления во время
ферментативного процесса. В этих целях используют сорбиновую
кислоту, бензойнокислый натрий и диоксид серы.
Для полного предотвращения сбраживания соков во время
ферментативной обработки необходимо 0,15% бензоата натрия,
для гидролиза плодово-ягодной мезги и сока при температуре
23...25 °С в течение продолжительного времени рекомендуется од­
новременно с ферментным препаратом вносить 0,03 % сорбиновой кислоты, что разрешено санитарными органами РФ. Угнетая
жизнедеятельность микроорганизмов, эти вещества не препят­
ствуют действию гидролитических и окислительных ферментов,
внесенных в соки вместе с препаратами.
Для соков-полуфабрикатов в качестве консерванта наиболее
часто применяют диоксид серы. Обладая консервирующими свой­
ствами, он является также сильным антиокислителем и средством,
разрушающим растительные клетки.
Диоксид серы в количестве до 0,15 % не влияет на технологи­
ческий эффект действия ферментного препарата, но процесс фер­
ментативной обработки при этом необходимо вести более продол­
жительное время.
При обработке плодово-ягодной мезги диоксидом серы наблю­
дается размягчение, а в дальнейшем при продолжительном воз­
действии — распад растительной ткани.
Таким образом, диоксид серы, являясь консервантом, в то же
время вызывает мацерацию ткани и тем’самым улучшает действие
ферментных препаратов.
Руководствуясь специфичностью сырья и особенностью техно­
логии получаемого продукта, температурные режимы применяют
в соответствии не только с оптимальными условиями действия
ферментных препаратов, но и с оптимальными параметрами тех­
нологического процесса.
Расчет количества ферментных препаратов, вносимых в плодо­
во-ягодное сырье и соки, производят по их общей пектолитической активности.
При применении ферментных препаратов -с целью увеличения
выхода и осветления соков возможный эффект действия препара­
та более правильно отображают методы, основанные на определе­
нии снижения вязкости пектиновых растворов.
При подборе концентрации ферментного препарата руковод­
ствуются тем минимальным количеством, которое обеспечивает
требуемые превращения за время, допускаемое технологией дан­
ного вида сока.
Эффективность действия комплексных препаратов зависит от
их общего ферментного состава и специфики перерабатываемого
сырья. Поэтому правильно подобрать количество ферментного
препарата можно только лишь при проверке его действия на плодово-ягодном сырье в конкретных условиях получения того или
иного вида сока.
7.6. ПРИМЕНЕНИЕ ГЛЮКОЗООКСИДАЗЫ, КАТАЛАЗЫ
И ДРУГИХ ФЕРМЕНТОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СОКОВ
И НАПИТКОВ
Ферментный препарат глюкозооксидаза обладает антибактери­
альными свойствами по отношению к довольно широкому кругу
микроорганизмов. Поэтому он очень перспективен для примене­
ния с целью предотвращения порчи соков, напитков и вин при их
хранении.
Глюкозооксидазу применяют для сохранения вина, не под­
вергавшегося пастеризации и изготовленного без внесения диок­
сида серы.
Фермент гл ю к о зо о к си д а за (Р -0 -гл к ж о зо -0 2-оксидоредуктаза, 1.1.3.4) осуществляет перенос водорода из СНОН-группы
глюкозы на кислород с образованием С = 0 и пероксида водорода.
Окисление глюкозы, катализируемое ферментным препаратом
глюкозооксидазой, идет до образования глюконовой кислоты со­
гласно уравнению: X
о
Глюкоза
он
С
+ Е (ФАД)
С
Н
(Глюкозооксндаза)
О
Глкжоно-5-лактон
С = 0 + Е (ФАДН2)
—С
(В присутствии
лактозы или .
спонтанно)
Глюконовая
кислота
(Глюкозооксндаза)
+ 02
С
—С
^
\
ОН
Н20 2
1
У
Н20 + 0
(Каталаза)
Рис. 7.4. Схема действия глюкозооксидазы
Препараты глюкозооксидазы содержат также каталазу. Дей­
ствие фермента глюкозооксидазы может быть представлено в ви­
де следующей схемы (рис. 7.4), где глюкозооксндаза обозначена
Е (ФАД), так как в качестве простетической группы она содержит
флавинадениндинуклеотид. Каталаза играет решающую роль в
разложении пероксида водорода с образованием воды и молеку­
лярного кислорода.
Яблочное вино с содержанием 12 об. % спирта с помощью фер­
мента глюкозооксидазы сохраняется без ухудшения качества и на­
копления летучей кислоты, в то время как то же вино без внесения
препарата переокисляется с ухудшением аромата и вкуса и имеет
повышенное содержание кислот. Для стабилизации мутных цит­
русовых соков применяют препарат, не содержащий целлюлазу.
Применению глюкозооксидазы для удлинения сроков хране­
ния фруктовых соков препятствует то обстоятельство, что розлив
соков в бутылки или банки производят при высокой температуре,
при которой ферменты инактивируются. В США в целях предот­
вращения инактивации ферментный препарат глюкозооксидазу
выпускают в виде таблеток, покрытых метилцеллюлозой. При
внесении в горячий сок фермент в таблетках не инактивируется,
разрушение покрытия таблетки происходит медленно; за это вре­
мя сок успевает остыть до температуры, приемлемой для действия
фермента.
Горький вкус соков из цитрусовых вызывается главным обра­
зом гликозидом нарингином (7-рамнозидо-р-глюкозидо-4,5,7-тригидроксифлавонон). В результате гидролиза нарингина образуется
смесь рамнозы и прунина, а при дальнейшем гидролизе — глюко­
за и нарингинин. Продукты гидролиза нарингина — прунин и на-
. рингинин — не имеют горького вкуса. С применением пектолити' ческих промышленных ферментных препаратов достигается гидI ролиз 50 % нарингина за 3 ч обработки.
|
Отечественный ферментный препарат Грибная нарингиназа со| держит два фермента — рамнозидазу и р-глюкозидазу. Препарат
I нарингиназа успешно применяют для удаления горечи из сока
[ грейпфрута и горьких апельсинов при оптимальной температуре
I действия 50 °С в течение 1 ч при концентрации препарата 0,025 %
I или 4 ч при концентрации 0,01 %.
[
Из импортных препаратов для гидролиза нарингина применя[ ют промышленные пекголитические ферментные препараты —
: Ресйпо1 10-М и Рес1шо1 100-0 (США). Оптимальная температура
действия нарингиназы 50...60°С. Для снижения горького вкуса
сока грейпфрута полный гидролиз нарингина в стандартном рас­
творе с концентрацией нарингина 50 мг/дм3 происходит в течение
5 ч при рН 4.
\
7.7. ВЛИЯНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
НА КАЧЕСТВО ВИНОГРАДНОГО ВИНА
Препараты, используемые при выработке виноградных соков и
столовых вин, при внесении их в минимальных дозах (0,0005 —
0,001 %) должны быстро осветлять и повышать скорость фильт­
рации в 3 —4 раза.
В процессе обработки мезги ферментными препаратами проис­
ходят значительные изменения в химическом составе виноград­
ного сусла. Прежде всего происходит существенное изменение в
содержании фенольных веществ в винах, даже при кратковремен­
ном контакте сусла с мезгой. Поэтому в технологической схеме
приготовления белых столовых вин использование ферментных
препаратов должно быть предусмотрено на стадии осветления сус­
ла, в этом случае заметного обогащения фенольными веществами
не происходит.
При приготовлении вин, требующих длительного контакта с
мезгой, использование ферментных препаратов особенно эффек­
тивно, так как оно способствует процессу мацерации, что дает
возможность сократить время настаивания на мезге и отделить
этот процесс от спиртового брожения. Комбинированная обра­
ботка ферментными препаратами в сочетании с нагревом эффек­
тивна не только для красных, но и для белых сортов винограда.
Рекомендуется нагревать мезгу при 35...45’С в течение 2 —Зч,
при этом оказывается возможным в дальнейшем вести брожение
по белому способу.
Вкус вин, полученных из отпрессовых фракций сусла, при обработке ферментным препаратом смягчается, устраняются излишняя горчинка и грубость.
*
Приготовление красных вин, технология которых предусматривает контакт сусла с мезгой, нагрев мезги или брожение на мезге,
сопровождается значительным обогащением сусла и соответственно виноматериалов фенольными веществами. Увеличение суммы фенольных веществ при этом может достигать 60 %, а красяЩИХ — 70%.
’
МП '-: !• г
| - .*
Обработка мезги ферментными препаратами способствует увеличению содержания лейкоантоцианов и катехинов в сусле, повышению биологической ценности соков и вин. Существенное влия­
ние на сохранение биофлавоноидов в виноградном соке оказывает
способ осветления полуфабриката. В период брожения проис­
ходит значительное уменьшение общего количества фенольных
веществ и антоцианов.
Вина, приготовленные из сусла и мезги, обработанных фер­
ментами, быстрее созревают и требуют более раннего розлива.
При хранении вин, обработанных ферментными препарата­
ми, уменьшаются сумма фенольных веществ и интенсивность
окраски. Аналогичные изменения происходят в контрольных об­
разцах (без добавления ферментных препаратов), особенно силь­
но они проявляются в первый год. В течение последующих
двух-трех лет указанные процессы идут значительно медленнее.
В первые 6 мес теряется около 50 % красящих веществ вина. Вто­
рой год выдержки характеризуется более медленным снижением
содержания фенольных веществ в образцах вин, обработанных
ферментами.
Таков же характер изменения красящих веществ. Первоначаль­
ная пурпурная окраска постепенно приобретает оттенки руби­
ново-красный, красно-коричневый, коричнево-красный с луко­
вичными тонами. Обработка мезги ферментными препаратами
ускоряет этот процесс, однако одновременно в молодых винах
происходит некоторое увеличение содержания красящих веществ
вследствие превращения лейкоантоцианов в антоцианы, причем
установлено, что чем дольше сусло соприкасалось с мезгой в
процессе переработки винограда, тем интенсивнее становится ок­
раска при хранении. Действие пектолитических ферментных
препаратов усугубляет этот процесс в связи с более энергичной
экстракцией фенольных веществ. Особенно этому способствует
аэрация вин при повышенной температуре. Использование одних
ферментных препаратов способствует превращению фенольных
веществ, другие не обладают таким действием, т. е. возможен вы­
бор препарата, действие которого было* бы оптимальным для дан­
ного типа вина.
I
1
1
I
I
I
1
1
1
1
1
Для гидролиза пектиновых веществ могут быть рекомендованы
такие препараты, как Пектаваморин, Пектофоетидин, Полигалактуроназа, Ультразим, Винфлоу, Винозим, Пектинекс.
Для интенсификации сокоотделения применяют также препа­
раты, в которых наряду с пектолитическими присутствуют фер­
менты, гидролизующие нейтральные полисахариды — целлюлозу
и гемицеллюлозу. Это препараты Вильзим АК, Ксилонигрин, По­
ликанесцин, Целловиридин, Целлофоетидин. Гидролиз нейтраль­
ных полисахаридов сопровождается высвобождением связанных с
ними лигниноподобных и других фенольных веществ. При доступе
кислорода фермент о-дифенолоксидаза, присутствующий в сырье,
катализирует окисление фенольных веществ. Образующиеся хиноны полимеризуются, что является причиной побурения окраски
сусла. Хиноны комплексуются с белками, вызывая коллоидное
помутнение. Дополнительный вклад в этот процесс вносит маце­
рация тканей под действием комплекса цитолитических фермен­
тов. Для удаления темноокрашенных продуктов и коллоидных
частиц применяют сорбенты — бентонит, полиоксиэтилен, поливинилпирролидон.
Ферментативную обработку применяют при получении различ­
ных видов виноматериалов. Разработана схема производства крас­
ных столовых виноматериалов, которая включает сульфитацию
мезги, внесение 0,01 % Пектофоетидина П10Х, брожение мезги до
остаточной сахаристости 1—3%, отделение, дображивание и ку­
пажирование виноматериалов. Ферментативная обработка мезги
увеличивает выход красящих веществ на 10—30 %, повышает кол­
лоидную стабильность виноматериалов.
При получении белых десертных полусладких вин сульфитированную мезгу подогревают до 50 °С, вносят Ксилонигрин П10Х
(0,01 %) или Полигалактуроназу Г10Х (0,00005 %), настаивают
мезгу при произвольном остывании в течение 12—48 ч, после чего
отделяют сусло, производят дображивание, спиртование, сульфи­
тацию, обработку бентонитом и холодом.
При получении сусла из мезги смеси белых сортов винограда
возможна ее обработка 0,02% Поликанесцина Г20Х или 0,02%
Вильзима АК Г20Х. При этом общий выход сусла повышается на
4 %. Для обработки мезги сорта Алиготе рекомендован Целлови­
ридин Г20Х (0,02 %), позволяющий увеличить выход сусла на 3,5 %.
Обработка мезги Поликанесцином Г20Х положительно влияет
на аромат виноматериалов, что связано с увеличением концентра­
ции терпеновых спиртов и (3-фенилэтанола за счет действия гликозидаз препарата на предшественников терпеновых спиртов.
В настоящее время большинство пектолитических ферментных
препаратов, выпускаемых как в России, так и за рубежом, имеют
грибное и реже бактериальное происхождение. При необходимо-
сти целенаправленного использования полигалактуроназы эти |
препараты вызывают ряд трудностей из-за того, что они содержат
помимо полигалактуроназы пектинэстеразу, протеиназы, целлю- I
лазы, гемицеллюлазы и ряд других сопутствующих ферментов. Все |
отрасли, применяющие пектолитические ферментные препараты, 1
особенно при производстве соков и вин, постоянно предъявляют I
повышенные требования к чистоте и составу используемых фер- I
ментных препаратов.
зш I
Дрожжевые культуры синтезируют значительно меньше гидро- 1
литических ферментов. Дрожжевая полигалактуроназа ГХ (про- 1
дуцент 2у§о/аЬо$рога тат апа ВКМ У-848), применяется для ос- |
ветления виноградного сусла. При этом скорость фильтрации в
3,5—6 раз выше, чем в контроле, и не возрастает содержание ме- I
танола. В одинаковых условиях обработки сусла Пектофоетидин ]
П10Х несколько превосходит по эффективности дрожжевую по- |
лигалактуроназу, но уступает мультиэнзимной композиции дрож- |
жевой полигалактуроназы и Поликанесцина Г20Х (табл. 7.3).
I
7.3. Изменение скорости фильтрации сусла винограда сорта Первенец Магарача
при обработке ферментными препаратами в течение 2 ч при / = (35 ± 2) *С
Вариант обработки сусла, наименование
препарата
Контроль
Доза фермента,
ед/дм3
ЬфР
—
ЩЩ
*
Скорость фильтрации
см3/мин
%увеличения
0,53
100
Пектофоетидин П10Х
500
2,4
450
Дрожжевая полигалактуроназа (ДП)
500
2,27
425
250 и 250
2,47
462,5
Пектофоетидин П10Х
1000
2,6
487,5
ДП
1000
2,47
462,5
500 и 500
2,8
525
ДП и Поликанесцин Г20Х
ДП и Поликанесцин Г20Х
В технологии белых столовых вин и шампанских виноматериа­
лов могут быть использованы лишь те препараты, которые не бу­
дут способствовать интенсификации в них окислительных про­
цессов и потемнению окраски. Установлено, что ферментативное
обесцвечивание вина происходит вследствие восстановления хинонов в семихиноны с последующим получением стабильных бес­
цветных димеров или в связи с полным восстановлением хинонов
в фенолы в результате действия системы КАЕ) + Н2
КАЕ)Н2.
Таким образом, в виноделии должны использоваться ферментные
препараты с определенным набором гидролаз и оксидоредуктаз.
В технологии столовых белых вин ферментные препараты
вносят не в мезгу, а в сусло, поступающее на отстаивание. Сусло
при этом должно быть засульфитировано из расчета введения
100 мг ЗОг/дм3. Опыт использования ферментных препаратов в
производственных условиях свидетельствует о том, что полезно
проводить обработку вина бентонитом и затем ферментным пре­
паратом. Введение флокулянтов будет способствовать более быст­
рому осаждению взвесей и уплотнению осадков. Если технология
переработки винограда предусматривает процесс отстаивания сус­
ла в течение 18—20 ч, то дозы препарата могут быть минимальны­
ми — 0,001—0,005 % в пересчете на стандартную активность
3000 ед/г.
Ферментные препараты гидролитического действия использу­
ют для стабилизации вин от коллоидных помутнений.
Виноградный сок содержит коллоидные компоненты клеточ­
ного сока, твердых частей ягоды и грозди. Основным источником
биополимеров сусла и вина являются структурные элементы яго­
ды (кожица, клеточные стенки мякоти), о чем свидетельствует
сходство фракционного состава биополимеров кожицы и виноматериалов. В составе биополимеров преобладают полисахариды
(разновидности гемицеллюлоз) и фенольные вещества.
Комплексы биополимеров виноградного сока имеют различ­
ную растворимость. В свежеотделенном соке зрелого винограда
основную часть коллоидной фракции составляют углеводы (пек­
тиновые вещества, нейтральные полисахариды), в нее входят так­
же фенольные соединения, белки и зольные элементы, среди ко­
торых преобладают железо, кальций и кремний.
В процессе брожения коллоидная система вина обогащается
биополимерами автолизирующихся дрожжей: глюканом и маннопротеином клеточных стенок, продуктами неполного расщеп­
ления белков. Эти компоненты наряду с биополимерами виногра­
да участвуют в формировании коллоидных помутнений.
На основании исследований химической природы частиц кол­
лоидных помутнений вин разработана мультиэнзимная компози­
ция МЭК-1 для виноделия, которая используется для стабилиза­
ции вин различных типов. В состав композиции входят ферменты
Р-глюканаза, р-маннаназа, полигалактуроназа и кислая протеаза.
Содержание углеводного компонента биополимеров вина сни­
жается при действии Р-глюканазы на 19 —27 %, р-маннаназы — на
42 —44, полигалактуроназы — на 17—28 %. Кислая протеаза гидро­
лизует 27—49 % белкового компонента. Снижается до минимума
концентрация крупных коллоидных частиц. Оптимальная доза
МЭК-1 составляет 0,005—0,02 %. Продолжительность обработки:
для белых столовых виноматериалов — 8 ч, красных столовых —
16, крепких виноматериалов — 24 ч. Схема стабилизации вино­
материалов против коллоидных помутнений включает: купаж ви­
номатериалов, введение ЖКС, МЭК-1, экспозицию в течение
8 —24 ч, введение оклеивающих веществ, осветление и снятие с
осадка, обработку холодом или пастеризацию, фильтрацию и розлив продукта. При обработке МЭК-1 экстрактивность повышается
на 0,3—0,6 г/дМ3, сохраняется окраска красных вин. Вина, обработанные МЭК-1, сохраняют стабильность в течение одного года.
Проводились комплексные исследования эффективности различных ферментных препаратов в сочетании с оклеивающими
веществами при осветлении и стабилизации труднообрабатываемого виноматериала типа портвейн белый Таврида. Использование препаратов Поликанесцин Г20Х, Целловиридин Г20Х и Вильзим АК Г20Х в дозах 0,005—0,02 % позволяет снизить содержание
белков в 2,1—4,4 раза, полисахаридов — в 1,4 —2 раза; прозрач­
ность вин сохраняется свыше 8 мес.
Хорошие результаты при стабилизации соков и вин дают иммобилизованные препараты кислых протеаз — пепсина, кислой
грибной протеазы. При этом достигается расщепление белка на
80—95%. Основными продуктами гидролиза являются пептиды,
что положительно влияет на полноту вкуса соков и вин.
Применение гидролаз весьма эффективно при переработке
винограда, пораженного серой гнилью. Для осветления сусла из винограда со степенью поражения 20—30 % используют композицию
Пектофоетидина П10Х и Амилоризина П20Х в дозах соответствен­
но 0,025 и 0,005 % или 0,01 и 0,0025 %. Осветление сусла увеличи­
вается в 2 —3 раза, скорость фильтрации — в 2,25—3 раза. Снижа­
ется содержание токсинов: пестицидов — на 62 —71 %, патулина —
на 78, гистамина — на 36—47 %. При гидролизе биополимеров, с
которыми ассоциированы токсины, последние переходят в свобод­
ное состояние, но, имея низкую растворимость в воде, ресорбируются на взвешенной фракции. Удаление этой фракции в процессе
фильтрации приводит к снижению содержания токсинов в сусле.
Большинство ферментативных способов стабилизации вин и
соков от коллоидных помутнений основано на расщеплении по­
лисахаридных и белковых, но не фенольных компонентов колло­
идных частиц. Для гидролиза фенольной составляющей может
быть использован фермент танназа, катализирующий расщепле­
ние сложноэфирной связи фенолкислот с фенолами или углевода­
ми. Препараты танназы производят за рубежом, где и используют
в виноделии и консервной промышленности.
Для удаления фенолов из виноматериалов используют флокулянты, сорбенты, фильтрующие материалы. При этом связывают­
ся полимерные формы фенольных соединений и их комплексы с
белками и полисахаридами. Мономерные формы фенолов сохра­
няются в растворе и с течением времени подвергаются окислению
и конденсации, что служит источником помутнений. Для удале­
ния мономерных фенолов предложена обработка сусла ферментом
1
1
I
I
1
1
I
1
1
I
I
1
I
1
I
I
|
I
1
!
1
1монофенолмонооксигеназой, выделенной из культуры гриба ве­
шенки. Окисление монофенолов происходит за счет растворенно­
го кислорода, поэтому при обработке сусло постоянно перемеши­
вают. Продолжительность обработки 0,5—1 ч, доза фермента —
50—150ед/дм3. При обработке прессового сусла окисляется 60%
монофенолов. Окисление монофенолов приводит к их конденса­
ции и образованию комплексов с другими коллоидами сусла. Эти
комплексы удаляются после обработки сорбентами и сепарации.
Осветленное сусло пригодно для получения качественных соко- и
виноматериалов. Ферментативная обработка прессовых фракций
сусла не только повышает коллоидную стабильность, но и облаго­
раживает вкус напитков.
Щ- - ш
Контрольные вопросы
1. Каковы цели применения ферментных препаратов в производстве плодовоягодных соков, вин и безалкогольных напитков? 2. Какова особенность производ­
ства пастеризованных соков из плодов и ягод? 3. Каковы основные стадии техно­
логического процесса получения виноградных и плодово-ягодных вин? 4. Какие
требования предъявляют к ферментным препаратам при производстве соков?
5. Какие биохимические превращения субстрата происходят под действием фер­
ментов? 6. Какие факторы обусловливают сокоотдачу плодов и ягод под действи­
ем ферментов? 7. По каким признакам разделяют плодово-ягодное сырье? 8. Как
предотвратить нежелательные побочные процессы при обработке плодово-ягодной мезги и соков ферментами? 9. Какие ферментные препараты используют для
осветления и стабилизации соков и вин? 10. Какие окислительно-восстановительные ферменты применяют в производстве соков и напитков? 11. Как изменяется
химический состав виноградного сусла и вина под влиянием ферментов? 12. Ка­
кое влияние оказывают ферментные препараты на созревание и качество вин?
Глава 8
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В ПИВОВАРЕННОЙ ОТРАСЛИ И В ПРОИЗВОДСТВЕ
КВАСА
8.1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПИВА
Пиво — это игристый освежающий напиток с характерным
хмелевым ароматом и приятным горьковатым вкусом.
Основным сырьем для производства пива является ячменный
солод, который получают из специальных сортов ячменя по следу­
ющей технологии: очистка и сортировка ячменя, солодоращение,
сушка свежепророшенного солода, освобождение сухого солода от
ростков и полировка. Солод получают на пивоваренных заводах,
где имеются солодовенные цехи, или на специализированных со­
лодовенных заводах.
Основные стации технологического процесса производства пи­
ва представлены на рисунке 8.1.
Зерно, поступающее на элеватор солодовенного цеха или заво­
да, очищают от самых разнообразных примесей на воздушно-си­
товых сепараторах, триерах и разделяют по сортам на сортировоч­
ных машинах. Очищенный от примесей ячмень с влажностью бо­
лее 16 % сушат в специальных сушилках при температуре сушиль­
ного агента 40... 45 °С.
Производство солода начинают с мойки и замачивания зерна в
специальных моечных и замочных аппаратах. В промышленности
применяют разнообразные способы замачивания. Оптимальные
условия для замачивания зерна создает воздушно-оросительный спо­
соб. При этом способе зерно начинает прорастать через 18—25 ч,
Прием, очистка, сортировка,
сушка и хранение зерна
...............
Г
Замачивание зерна
~
Проращивание зерна
Сушка солода
Дробление солода, ячменя и
других несоложеных материалов
Приготовление затора
Ферментные препараты
Фильтрование затора
Кипячение сусла с хмелем
Ферментные препараты [-— »-] Охлаждение и осветление сусла
Дрожжи
Сбраживание пивного сусла
Ферментные препараты
Дображивание и
созревание пива
Ферментные препараты [— »|
С
Осветление и розлив пива
Готовый продукт
)
Рис. 8.1. Основные стадии технологаческого процесса производства пива
влажность достигает 34 —36%, а необходимая активность
Вферментов и растворение эндосперма достигаются на 1—2 сут рань'ше, чем при обычном замачивании. При оптимальном режиме
солодоращения (температура, влажность, аэрация и т.д.) солод
высокого качества можно получить в течение 7 сут.
Сушка солода протекает в две стадии. На первой стадии влаж­
ность солода быстро понижается с 50—40 до 10%, на второй —
1достаточно медленно — до 2-г5 %.
Для ускорения физических и биохимических процессов раство­
рения зерна при затирании солод, ячмень и другие несоложеные
материалы (рис, кукурузу, пшеницу) подвергают дроблению на
вальцовых дробилках, вальцовых станках и в мельницах мокрого
помола. Дробленые солод, ячмень или другие несоложеные мате­
риалы поступают в аппараты для приготовления затора. При ис­
пользовании в рецептуре сусла свыше 30 % несоложеных материа­
лов в затор вводят ферментные препараты.
Существуют две группы способов затирания солода: настойные
и отварочные. При всех способах затирания возможно варьирова­
ние как температур, так и продолжительности пауз. При более про­
стом, настойном способе после перемешивания дробленого солода
с водой затор выдерживают 30 мин при 40 °С, а затем со скоростью
повышения температуры 1 °С в 1 мин нагревают до 52 °С, для по­
вышения эффективности протеолитических ферментов при этой
температуре делают паузу на 30 мин, а затем увеличивают ее до 63 °С
и выдерживают при ней для совместного действия а- и р-амилаз
(мальтозная пауза), далее затор подогревают до 70 °С и выдержи­
вают 30 мин для максимального выхода экстракта, после чего тем­
пературу доводят до 72 °С и поддерживают на этом уровне до оконча­
тельного осахаривания. Осахаренный затор нагревают до 76...77 °С
и перекачивают в фильтрационный аппарат на фильтрование. Из
фильтрационного аппарата сусло стекает в сусловарочный аппарат,
где его кипятят с хмелем (в течение максимум 2 ч), в результате
чего происходит его концентрирование и ароматизация. Горячее
сусло поступает в отстойные аппараты, где в течение 1,5—2 ч его
охлаждают до 60... 70 °С, вторую стадию охлаждения осуществляют
в холодильниках до 4...6°С. Сбраживание сусла проводят в бро­
дильных аппаратах специальными расами дрожжей Засскаготусез
сегетзхае. В среднем на 1 гл сусла задается 0,5 дм3 густых дрожжей.
Различают холодное (5...8°С) и теплое (7...12вС) брожение пив­
ного сусла. Продолжительность главного брожения в зависимости
от массовой доли сухих веществ в начальном сусле и температур­
ного режима колеблется от 7 до 10 сут. Различают периодические,
полунепрерывные и непрерывные способы сбраживания сусла.
Показателем окончания главного брожения служит понижение
экстрактивности на 0,1—0,2 % в сутки. В результате на этой ста­
В < о гд а
[
дии получают молодое пиво. Его перекачивают центробежными
насосами в аппараты для дображивания. Дрожжевой осадок из
бродильного аппарата перекачивают насосом на процеживание и
промывку. После очистки часть дрожжей вводят в аппараты глав­
ного брожения для последующего сбраживания пивного сусла, (й
При дображивании молодого пива происходят те же биохими­
ческие процессы, что и при главном брожении, но они резко за­
медлены из-за низкой температуры (0...2 °С) и меньшего количе­
ства дрожжевых клеток. Дображивание осуществляют в танках, где
поддерживают давление 0,15—0,17 МПа. При дображивании про­
водят карбонизацию пива — насыщение его С 02. Продолжитель­
ность дображивания и созревания зависит от сорта пива и варьи­
рует от 11 сут до 3 —4 мес.
Осветления пива достигают фильтрованием, сепарированием и
другими методами. Фильтрование — основной метод осветления
пива, оно удачно совмещается с розливом, который осуществляют
на фильтровально-разливочной установке. Фильтрование с освет­
лением пива чаще всего проводится в фильтрах-прессах с пласти­
нами из хлопчатобумажно-асбестовой массы или диатомитовых
установках с намывным фильтрующим слоем.
Розлив пива осуществляют в бочки, бутылки и банки. Важней­
шим свойством пива является его стойкость. Помутнение пива
вызывается биологическими и физико-химическими процессами.
В целях стабилизации пива применяют пастеризацию. Наилучшие
результаты получают при пастеризации пива в непрерывном пото­
ке — в пластинчатом пастеризаторе. Пастеризационные аппараты
для бутылочного пива бывают погружными, душевыми и ком­
бинированными. Для предотвращения помутнения пастеризован­
ного пива применяют следующие приемы: длительная выдержка
(6—9 мес), выдержка пива при низких (0 °С) температурах, ввод в
пиво защитных коллоидов и протеолитических ферментов, обра­
ботка бутылок 1%-й серной кислотой или 2%-м № ОН при
75...80вС. Наилучший способ обеспечения стабильности пива —
микрофильтрование, ультрафильтрование и обратный осмос с
применением специальных мембран.
8.2. ЦЕЛИ ПРИМЕНЕНИЯ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
При производстве пива по обычной технологической схеме не­
обходимые ферментные системы для подготовки зернового сырья
и перевода экстрактивных веществ в растворимое состояние на
стадии затирания образуются в процессе солодоращения.
|
Однако солодоращение как технический способ накопления
|:ферментов с технико-экономической точки зрения имеет ряд суI щественных недостатков. Это в первую очередь неизбежная трата
Кценных составных частей ячменного зерна на дыхание и образова§ ние ростка (в среднем около 12% сухого вещества зерна); большая
I продолжительность процесса во времени, связанная с длительноI стью замочки, проращивания ячменя и сушки солода (не менее
I 10—11 дней); громоздкость и трудоемкость производственных
I операций; потребность в больших производственных площадях и
К капиталовложениях. Затраты труда на производство солода со[ ставляют около 7 % от общих затрат по пивоварению в целом.
| Поэтому постоянно идет поиск более экономичных источников и
I способов получения необходимых ферментов.
I
Основными ферментами, образующимися в процессе солодо? ращения и имеющими наиболее существенное значение в техно| логии пивоварения, являются амилолитические, разжижающие и
осахаривающие крахмал; протеолитические, расщепляющие бел­
ки ячменя до полипептидов различной молекулярной массы и
свободных аминокислот; гемицеллюлазные, гидролизующие не­
крахмальные полисахариды типа гумми-веществ и гемицеллюлоз,
растворяющие клеточные стенки эндосперма зерна, благодаря чему
облегчается доступ амилолитических и протеолитических фер­
ментов к соответствующим субстратам.
Каждый из перечисленных процессов должен пройти с опре­
деленной глубиной, чтобы обеспечить нормальное протекание
фильтрации затора, брожения сусла, осветления и фильтрации
пива, а также создание его определенных вкусовых и физико­
химических свойств (пенообразование, прозрачность и стойкость
при хранении).
Ферменты другого происхождения, предназначенные для за­
мены ферментов солода, должны по характеру своего действия
соответствовать последним и значительно превосходить их по ак­
тивности, что позволит существенно уменьшить масштабы произ­
водства ферментных препаратов по сравнению с масштабами про­
изводства солода.
Усилиями отечественных ученых разработана технология, обес­
печивающая возможность получения высококачественного пива с
применением больших количеств несоложеного сырья и фермен­
тов микробного происхождения.
При производстве светлых сортов пива замена 30 —50 % солода
несоложеным зерном наряду с применением ферментных препа­
ратов позволяет достигнуть 3 —5%-й экономии ячменя за счет ис­
ключения потерь при солодоращении; уменьшить нагрузку на
производственные мощности существующих солодовен, за счет
чего улучшается качество вырабатываемого солода; снизить себе-
стоимость пива; устранить дефицит солода; значительно сокра­
тить капитальные затраты на строительство солодовен.
К ферментным препаратам, применяемым для переработки не­
соложеного сырья, предъявляют следующие требования:
• наличие а- и р-амилазы (или а-амилазы с высокой осахаривающей способностью), протеолитических и гемицеллюлазных
ферментов. Протеазы должны быть как эндо-, так и экзотипа,
чтобы при действии на белки ячменя в сусло переходили стойко­
растворимые азотистые соединения, полипептиды и аминокисло­
ты в количестве, обеспечивающем нормальную жизнедеятельность
дрожжей, полноту вкуса пива и пенообразование. Гемицеллюлазные ферменты должны содержать Р-глюканазы и пентозаназы
эндо- и экзотипа, растворяющие клеточные стенки эндосперма
ячменя и способствующие ускорению фильтрации сусла;
• наличие в препарате кислой фосфатазы для создания опти­
мального рН (5,5—5,7);
*
• термостабильность всех вводимых в процессе затирания фер­
ментов (температура действия 45...75 °С);
• отсутствие отрицательного влияния ферментного препарата
на вкус и аромат пива, его пенообразование и пеностойкость;
• применение очищенных ферментных препаратов;
• применение наряду с комплексными препаратами, содержа­
щими все ферменты, необходимые для переработки несоложеного
сырья с учетом его особенностей, препаратов специального назна­
чения, содержащих исключительно или преимущественно один
фермент, например, термостойкую а-амилазу или а-амилазу с вы­
сокой осахаривающей способностью, нейтральную термостабиль­
ную протеазу, р-глюканазу, ксиланазу и др. Такие ферментные
препараты по мере надобности могут быть введены на любой ста­
дии технологического процесса, в том числе при брожении или
дображивании для их интенсификации.
8.3. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Целью затирания дробленого солода или смеси дробленых со­
лода и несоложеного сырья является перевод в водный раствор
максимального количества веществ. При смешивании дробленого
солода или смеси дробленых солода и несоложеного сырья с водой
происходит растворение части веществ, способных переходить в
раствор без участия ферментов, и набухание веществ, находящих­
ся в коллоидном состоянии. При этом из солода извлекаются
ша
)*И 15 —20% веществ, в том числе: сахаров — 7,5—10%, белков и
I» продуктов их гидролиза — 2,5—4, пентозанов — 1—1,5, из них
ксилозы, арабинозы и пектина — 0,3—0,5, дубильных и горьких
I ( веществ — 0,4 % и почти все неорганические вещества и ферменз-Г ты. В процессе затирания необходимо создать оптимальные температурные условия для действия ферментов. Поэтому предусматриз I вают выдержку затора при температуре, наиболее благоприятной
для действия пептидаз и гемицеллюлаз, выдержку для накопления
>-1 1 мальтозы и выдержку для полного осахаривания крахмала.
Ш
При использовании большого количества несоложеных мате11 риалов (более 30 %) в затор вводят микробные ферментные препа«| _ раты или их композиции и создают оптимальные условия для их
I■ действия.
№
Ферментативный гидролиз крахмала. Гидролиз крахмала осущер ствляется а- и р-амилазами, содержащимися в солоде, ячмене и
■ микробных ферментных препаратах. В частности, ячмень облада| ет р-амилазной активностью, солод — а- и р-амилазными актив- ностями; ферментные препараты содержат а-амилазы разжижаю§1 щего и осахаривающего действия, р-амилазу, глюкоамилазу и
■ мальтазу.
к
В процессе затирания крахмал проходит три стадии: клейстеризацию, разжижение и осахаривание. В присутствии амилаз темII пература клейстеризации значительно снижается. Если клейстеI ризация ячменного крахмала заканчивается при 75...80°С, то в
Ё присутствии амилазы этот процесс проходит при 20 "С и идет одII новременно с действием ферментов на крахмал; это обеспечиI- вает разжижение как сырого, так и оклейстеризованного крахмала
I с последующим гидролизом его до мальтозы и декстринов. РазИ жижение оклейстеризованного крахмала с образованием болыпо| го количества декстринов проходит под действием а-амилазы.
I Причем из-за небольшой осахаривающей способности а-амилазы
в результате ее действия образуется незначительное количество
I глюкозы.
I
Образование мальтозы происходит под действием р-амилазы.
I Для достижения полного и быстрого разжижения крахмала в зато­
ре необходимо иметь солод или ферментные препараты, обладаюI щие высокой активностью а-амилазы.
I
Обычно в заторе находятся обе амилазы, в результате чего про[ цесс осахаривания начинается одновременно с разжижением.
[
а-Амилаза солода более устойчива к повышению температуры,
| чем р-амилаза, и при повышенных температурах образует большее
количество декстринов. В то же время активность а-амилазы
больше зависит от кислотности среды, чем активность р-амилазы.
При рН среды 3,3 и температуре 0 °С происходит почти пол­
ная инактивация а-амилазы, в то время как активность р-амилазы
в тех же условиях сохраняется на достаточно высоком уровне.
Действие а- и р-амилаз при рН < 2,3 и рН > 9,7 полностью пре­
кращается.
|
При наиболее благоприятных условиях действия амилаз солода
в среднем 85 % осахаривающей активности принадлежит р-амилазе и только 15 % — а-амилазе.
Амилолитические ферменты солода по характеру действия
на крахмал (амилозу и амилопектин) существенно различаются.
Р-Амилаза гидролизует цепи глюкозных единиц как в амилозе, так
и в амилопектине, начиная с нередуцирующих концов и посте­
пенно отщепляя по две глюкозные единицы, образующие вместе
молекулы мальтозы. Амилозу, не имеющую ответвлений, р-амилаза гидролизует полностью.
а-Амилаза как эндофермент действует беспорядочно, разрушая
связи внутренних частей молекулы, в результате чего увеличивает­
ся число мест приложения Р-амилазы.
Самостоятельно а-амилаза способна легко гидролизовать как
амилозу, так и амилопектин, превращая их в низкомолекулярные
декстрины с цепями, длина которых меньше 10 глюкозных еди­
ниц в количестве, достигающем 20 % количества мальтозы. В этом
случае образуется некоторое количество глюкозы и мальтозы, так
как а-амилаза действует беспорядочно с образованием агрегатов
как из двух, так и из одного или трех остатков глюкозы.
Если при этом а-амилаза действует на амилозу длительное вре­
мя, то она полностью превращает ее в мальтозу, мальтотриозу и
небольшое количество глюкозы.
р-Амилаза способна гидролизовать мальтотетраозу и другие
более высокомолекулярные полиглюкозиды, но мальтотриозу раз­
рушить не может; это своего рода специфичность действия р-ами­
лазы, которая может гидролизовать не менее чем четырехглюкозидный полимер.
Основным сахаром сусла является мальтоза, концентрация ее
в сусле примерно в 20 раз больше, чем сахарозы. Из продуктов
гидролиза крахмала, наряду с уже названными, в сусле содержатся
разветвленные декстрины, следы изомальтозы и панозы, имею­
щие а -1,6-связи.
Под действием амилолитических и других ферментов солода в
заторе накапливается дополнительное количество экстрактивных
веществ.
Оптимальным пределом температур осахаривания следует счи­
тать 72...76 °С. Концентрированные (по сухим веществам) заторы
осахариваются хуже, чем менее концентрированные.
Оптимум действия амилаз с повышением температуры смеща­
ется в щелочную сторону. Чтобы получить в сусле максимальное
количество мальтозы при температуре 63 °С, необходимо, чтобы
( рН затора был ниже 5,6; наиболее благоприятен для высоких выI ходов экстракта рН 5,1.
I Предельные декстрины, образующиеся при действии а- и р-амилаз на амилопектин и ими не расщепляющиеся, гидролизуются
содержащейся в солоде предельной декстриназой. Данный фер­
мент, гидролизующий а-1,6-связи, превращает предельные декст­
рины в мальтозу, мальтотриозу, мальтотетраозу, в результате чего
повышается конечная степень сбраживания сусла. В сусле не
должно быть крахмала и декстринов, которые изменяют окраску
раствора йода.
Ферментативный гидролиз других соединений. В ячмене и в зна­
чительно большей степени в свежепроросшем солоде содержится
набор ферментов, гидролизующих некрахмальные полисахариды.
Эндо- и экзо-р-1,3- и Р~1,4-глюканазы и целлобиаза гидролизуют
нерастворимый в воде р-глюкан ячменя до водорастворимых гум­
ми-веществ разной молекулярной массы, целлобиозы и глюкозы.
Гидролиз пентозанов происходит под действием арабинозидазы,
эндо- и экзоксиланаз и ксилобиазы. Комплекс гемицеллюлазных
ферментов солода благоприятствует гидролизу гемицеллюлоз и
высвобождению крахмальных зерен, что усиливает действие на
них амилолитических ферментов. Гидролиз крахмала благодаря
действию гемицеллюлазных ферментов интенсифицируется, и
сусло из такого солода не содержит избыточного количества высо­
комолекулярных несбраживаемых углеводов.
Гидролиз гемицеллюлоз зависит также от действия протеоли­
тических ферментов на белок, с которым связаны эти вещества.
В настоящее время установлено, что в составе структурных комп­
лексов клеточных стенок эндосперма содержатся белки и некрахмальные полисахариды и что вначале происходит протеолиз,
а затем уже цитолиз.
В процессе протеолиза участвуют протеазы ячменя, солода и
используемых ферментных препаратов (Амилоризин, Амилосуб­
тилин, Протосубтилин и Ксилоглюканофоетидин). При затира­
нии без применения пептидаз микробных ферментных препара­
тов идет дальнейший гидролиз белковых веществ, но в меньшей
степени, чем при солодоращении, так как часть пептидаз инакти­
вируется при сушке солода. Если же применяются пептидазы
микробных ферментных препаратов, то гидролиз белковых ве­
ществ значительно интенсифицируется.
В сусло переходит (при затирании без ферментных препаратов)
около 35 % содержащегося в солоде белка. Из этого количества
более 50 % находится в солоде в растворенном состоянии. Гидро­
лиз белков при затирании имеет большое значение, поскольку
полученные продукты гидролиза (полипептиды, пептиды и ами­
нокислоты) увеличивают выход экстрактивных веществ в сусло,
а аминокислоты необходимы для нормальной жизнедеятельности
дрожжей при брожении и влияют на органолептические и физи­
ко-химические свойства пива.
Негидролизованные при солодоращении и затирании белки
переходят в дробину. Оптимум температуры для гидролиза белко­
вых веществ при затирании находится в пределах 45...50 "С, опти­
мальный рН 4 ,5 - 5 .
Я
Получение сусла при замене части солода несоложеным зерном.
В нашей стране с солодом среднего качества без применения
микробных ферментных препаратов рекомендуется использовать
не более 25 % несоложеных материалов. Повышение количества
несоложеных материалов, вносимых вместо солода, приводит к
тому, что замедляется скорость фильтрования заторов и снижается
содержание общего и аминокислотного азота в сусле и пиве.
В отечественной промышленности в качестве несоложеного
сырья в основном используют пивоваренный ячмень II сорта и
ячмень с пониженной способностью к прорастанию, а также куку­
рузную муку (до 30 %), рисовую сечку, пшеницу и крахмал.
Подкисление затора до рН 5,5—5,7 молочной кислотой улуч­
шает условия действия ферментов, что позволяет сократить расход
применяемых микробных ферментных препаратов.
В отечественной пивоваренной промышленности используют
Амилосубтилин Г10Х (0,03 % массы сырья) и мультиэнзимную
композицию МЭК-1 (0,025 % массы сырья), а также импортные
препараты: Бирзим (Альфа, Альфа-бета, Пента, П-7 и др.) фирмы
«Дёлер» (Германия), Церемикс 2ХЬ, Термамил 120Ь, Ультрафло Ь
фирмы «Новозаймс» (Дания).
Зависимость между количеством вносимых ферментных препа­
ратов и несоложеного ячменя в заторе устанавливают эксперимен­
тально. При расчете количества вносимых в затор ферментных
препаратов следует учитывать их влияние на разжижение и осахаривание затора, продолжительность фильтрования, вязкость сус­
ла, степень использования экстракта сырья, химический состав
сусла и пива, а также органолептические показатели готового
продукта.
При замене ячменем 40 %солода для достижения в сусле высо­
кого содержания редуцирующих сахаров, как и в сусле из 15 % яч­
меня и 85 % солода, необходимо ввести в затор 0,005—0,007%
Амилосубтилина Г20Х. Для достижения конечной степени сбра­
живания сусла, соответствующей контрольной, необходимо повы­
сить дозу Амилосубтилина Г20Х до 0,01 %.
Для получения нормального белкового состава в сусле с 40 %
несоложеного ячменя необходимо внести или 0,005—0,008 %Ами­
лосубтилина Г20Х, или жидкий препарат Бирзим П -7150 в дозе
200 см3/т солода либо 350—700 см3/т зернового сырья.
» При работе с ферментными системами следует учитывать, что
сырье, применяемое на разных предприятиях, значительно отли­
чается по своим свойствам, поэтому в каждом отдельном случае
следует производить корректировку количества вносимого пре­
парата.
Необходимый уровень активности ферментов в заторе достига­
ется при добавлении 0,025 % МЭК ПП-1, в состав которого входят
Амилосубтилин, Протосубтилин и Амилоризин. Комплекс обла­
дает активностью а-амилазы, эндо- и экзопептидаз, эндо- и экзоглюканаз. Экзопептидазы Амилоризина, имеющие оптимум в сла­
бокислой среде, обеспечивают глубокий протеолиз сырья.
Помимо МЭК ПП-1 в пивоварении используют множество
композиций ферментов для гидролиза несоложеного сырья. Обя­
зательным является наличие а-амилазы, р-глюканазы и протеаз.
В состав композиций входят ферментные препараты, проявляю­
щие активность в слабокислой среде.
Совершенствование технологии пива из смешанного сырья
идет по пути использования гемицеллюлазных ферментных пре­
паратов. На их основе создаются МЭК с высокой активностью
ферментов, расщепляющих некрахмальные полисахариды. В та­
ких МЭК препараты с амилолитической и протеолитической ак­
тивностью сочетают с гемицеллюлазами (Целловиридином, Ксилакомом, Целлокандином и др.), применение которых способ­
ствует сокращению продолжительности осахаривания заторов,
снижению вязкости сусла, повышению скорости его фильтрации,
выхода экстракта и конечной степени сбраживания.
Хорошие результаты получены при использовании комплекса
Амилосубтилина Г20Х и Ксилакома в соотношении 1:1. При за­
мене 40—50 %солода ячменем рекомендуют дозировку этого МЭК
0,025—0,09 % массы сырья. Затирание проводят одноотварочным
способом. Для повышения содержания аминного азота в сусло
вводят гидролизат пивных дрожжей. Сопоставление качества ох­
меленного сусла, полученного из 85 % солода и 15 % ячменя без
ферментных препаратов (контроль) и из 50 % солода и 50 % ячме­
ня с добавлением 0,04 % МЭК и 8 % гидролизата дрожжей, пока­
зало, что сусло опытного варианта не уступает контрольному, а по
ряду показателей превосходит его.
Обработку Целловиридином Г20Х при замене 20 —50 % солода
ячменем проводят в дозировке 0,05 % массы несоложеного ячме­
ня (при активности препарата 1000 ед/г) в сочетании с амилолитическими ферментными препаратами (Амилосубтилином Г10Х
или Амилоризином П10Х) в дозировке 0,005—0,01 % общей мас­
сы зерна.
Гемицеллюлазные ферментные препараты эффективны при
переработке некондиционных солодов с низкой степенью раство-
рения. Сусло из некондиционного солода имеет повышенную вязкость и трудно фильтруется.
|
Проводились исследования по применению повышенных ко­
личеств несоложеного сырья (30—50 %ячменя) или солода второ­
го класса с использованием ферментных препаратов Родия ТА
(амилолитический) и р-глюканаза 200Ь (гемицеллюлазный) для
получения светлого пива (12 %). В качестве контроля использова­
ли сусло из 100 % сухого светлого солода высокого качества
(табл. 8.1).
8.1. Изменение качественных показателей пива, приготовленного с одновременным
применением ферментных препаратов Родия ТА и Р-глюканаза 200Ь
Показатель
Массовая доля сухих веществ в сусле, %
Объемная доля спирта, %
Опыт 2
12,1
5,06
12,05
5,14
12,12
Высота пены, мм
40
40
35
Пеностойкость, мин
4
4
3,5
4,4
4,4
4,4
Активная кислотность (рН)
5,11
В опыте 1 (30 % ячменя) и 2 (40 % ячменя) затирание произ­
водили одноотварочным способом. При начальной температуре
52 °С в отварку вносили ферментный препарат Р-глюканаза 200Ь
из расчета 0,25 дм3/т ячменя. При температуре 63 °С вносили фер­
ментный препарат Родия ТА из расчета 0,25 дм3/г.
Опытный образец 1 по всем показателям не уступал контролю
и соответствовал ГОСТ Р 51174—98.
По результатам производственных испытаний и дегустации ре­
комендуют следующие технологические режимы затирания солода
второго класса, дозы и время введения ферментных препаратов
Родия ТА и р-глюканаза 200Ь в затор:
• гемицеллюлазная пауза при температуре 40 °С — 20 мин, бел­
ковая пауза при температуре 52 °С — 30 мин, мальтозная пауза при
температуре 63 °С — 30 мин, полное осахаривание при температу­
ре 70 "С;
■'
II
Iпг г
• дозы ферментных препаратов Родия ТА и р-глюканаза 200Ь,
вносимых в затор при использовании 100 % солода второго класса,
по 0,25 дм3/т при температуре 52 °С.
Охмеленное сусло перед засевом дрожжей не обладает фермен­
тативной активностью. На стадии главного брожения необходимо
создать условия для активного размножения дрожжей, их высокой
бродильной активности, для расщепления высокомолекулярных
коллоидов (белков, глюканов), выделяющихся в среду в процессе
I жизнедеятельности и автолиза дрожжевых клеток. При внесении в
сусло препаратов с протеолитической активностью происходит
его обогащение свободными аминокислотами, что приводит к
1 увеличению скорости роста молодых клеток и отмирания старых.
Снижение концентрации высокомолекулярных коллоидов увели­
чивает коллоидную стойкость пива.
Интенсификация процесса, увеличение выхода и качества пива
возможны при использовании ферментных препаратов Амилопроторизина Г1ОХ и Г20Х. При добавлении ферментного препарата в
количестве 10 г/т исходного сырья в последние замочные воды по­
вышается качество солода, увеличивается белковое растворение на
5 %, повышается степень растворения эндосперма зерна на 2,1 %,
а длительность осахаривания снижается при этом в 2 раза.
Эффективно использование Амилопроторизина при получении
пивного сусла. В варках, где использовался Амилопроторизин,
длительность осахаривания затора сокращалась на 10—20 мин, по­
вышалась прозрачность сусла, вязкость снижалась на 7,5—11,3 %,
конечная степень сбраживания увеличивалась на 2,7—3,7 % по
сравнению с контролем. Выход экстракта увеличивается на 4—
4,8%, что особенно важно при переработке солодов с недостаточ­
ной степенью растворения и при использовании повышенных ко­
личеств несоложеного ячменя (табл. 8.2).
8.2. Технико-химические показатели применения препаратов протеаз
в производстве пива
%
Конечная сте­
пень сбражи­
вания, %
Предел
осаждения,
см3
54
73,5
7 -8
51
69,7
6 -8
с Протосубтилином Г10Х
52,4
70,2
7 -8
с протеазой С
52,5
70,9
7 -8
с Амилопроторизином Г10Х
55,8
73,4
8 -9
с Амилопроторизином Г20Х
55,2
72,8
13-14
Вариант сусла
Ячменный солод — 100 %
Несоложеный ячмень — 30 %, ячмен­
ный солод — 70 %:
без протеаз
Выход
экстракта,
Отечественное пивоваренное сырье существенно отличается от
зарубежного, что необходимо учитывать при использовании им­
портных ферментных препаратов.
Исследование ферментных препаратов, широко рекомендуе­
мых для пивоварения, — Церемикс 2ХЬ; Термамил 120Ь; Ультра-
фло Ь (фирмы «Новозаймс», Дания) — в опытах с 30 —50 % несо­
ложеного ячменя показало, что увеличение содержания несоложе­
ного ячменя при применении ферментных препаратов не влечет
за собой появление белково-коллоидного помутнения. Происхо­
дит лишь повышение вязкости сусла по сравнению с контролем
при введении 50 % ячменя в затор, причем она значительно
меньше при использовании препарата Церемикс 2ХЬ, чем при
введении других ферментных препаратов. Использование 50 %
несоложеного сырья является предельной величиной, так как во
вкусе уже отмечаются легкие, не характерные для солодового
пива тона.
и
Конечная степень сбраживания со всеми испытанными препа­
ратами значительно ниже, чем в контрольных вариантах, но абсо­
лютные единицы показателей соответствуют существующим в
России нормам.
Для получения пива из солода с 30 % кукурузной крупы реко­
мендуется использование мультиэнзимной композиции, состоя­
щей из препаратов Термамил 120Ь (0,04—0,05 %) и Ультрафло Ь
(0,02 %), что позволяет получить пиво хорошего качества, отвеча­
ющее вкусам потребителей.
I
Разработана ресурсосберегающая технология пива с использо­
ванием в качестве частичного заменителя солода ферментативно
обогащенной молочной творожной сыворотки — биологически
ценного вторичного продукта молочной промышленности.
Гидролиз лактозы молочной сыворотки проводится 0,03 —
0,035 % ферментного препарата Лактоканесцин Г20Х с активно­
стью р-галактозидазы 1600—1800 ед/г (рН 4,5—5, температура
45...50 °С, продолжительность гидролиза 3 ч). В этих условиях сте­
пень гидролиза молочной сыворотки достигает 65,5 %.
Приготовление пивного сусла с использованием на стадии за­
тирания вместо воды до 50 % подработанной молочной сыворотки
способствует сокращению продолжительности фильтрации зато­
ров на 22 % по сравнению с контролем; расход солода сокраща­
ется в среднем на 12—15 % за счет использования экстрактивных
веществ молочной сыворотки при достаточно высоком качестве
получаемого пива.
8.4. ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ПИВА
С т о й к о с т ь п и в а при хранении — один из важных показа­
телей его качества. Она определяется временем (в сутках), в тече­
ние которого разлитое пиво остается прозрачным.
I * Различают биологическую стойкость, характеризующую устойи чивость пива к помутнению и появлению осадка в результате
^размножения дрожжей и других микроорганизмов, и белково-колI лоидную, нарушение которой проявляется в образовании небиоло| гического помутнения как в непастеризованном, так и в пастериI, зованном пиве.
Поэтому стабилизация пива — основная задача заключительI ного этапа пивоварения. В основе коллоидных помутнений пива
| при охлаждении лежит образование комплекса нейтральных полисахаридов, белков, полифенолов и ионов поливалентных метал’ лов. Доля углеводов, в основном в виде глюкана, в коллоидных
I частицах мути составляет до 80 %. В белковый комплекс частиц
? входят р-глобулин, альбумин и гордеин ячменя. В глобулине
много серосодержащих аминокислот (9,4 % суммы цистеина и
[ цистина и 3,2 % метионина), что способствует образованию пере| крестных дисульфидных связей между белками. В частицах мути
' находят 16 видов щелочно-земельных и тяжелых металлов. Золь­
ность коллоидного осадка обычно составляет 0,7—3,3 %, но может
достигать 14%. Металлы участвуют в образовании комплексов
белков и дубильных кислот, катализируют окисление дубильных
веществ, предшествующее их полимеризации. Существенный вклад
в скрепление коллоидных частиц вносит образование водородных
связей между гидроксильными группами полифенолов и кисло­
родными атомами карбонильных групп белков. Основной путь
укрупнения коллоидных частиц — окислительная полимеризация
полифенолов в присутствии растворенного кислорода.
Для повышения стойкости пива кроме общеизвестных приемов
(переработка качественного сырья, строгое соблюдение техноло­
гических и санитарных режимов производства на всех его стадиях
и др.) предложены физико-химические (в основном адсорбцион­
ные) и ферментативные способы.
Имеются сведения о том, что все испытанные стабилизаторы
оказывают отрицательное влияние на пеностойкость пива, поэто­
му одновременно требуется применение и стабилизаторов пены.
Для предотвращения коллоидного помутнения пива необхо­
димо гидролизовать полимеры, входящие в состав коллоидных
частиц. Большинство ферментативных способов стабилизации
основано на применении протеолитических ферментов, т. е. на
расщеплении белковой составляющей коллоидных частиц. На­
ряду с этим используются препараты амилаз, глюканаз, целлюлаз. За рубежом в качестве протеазы широко применяют папаин, на основе которого созданы различные коммерческие пре­
параты для стабилизации пива. Помимо папаина применяется
бромелаин, фицин, пепсин. В отечественной практике пиво
стабилизируют с помощью микробных ферментных препаратов
Протосубтилина, Амилоризина, Пектофоетидина, Целлолигнорина, Берзина П-7.
м
Для стабилизации пива используют как индивидуальные фер­
ментные препараты, так и мультиэнзимные композиции.
В отечественной практике обрабатывают как пиво, так и сусло.
Обработка сусла позволяет избежать нежелательных последствий
внесения обсемененных препаратов, а также сочетать эффекты
стабилизации пива и интенсификации жизнедеятельности дрож­
жей за счет действия протеолитических ферментов. Фермент­
ные препараты, внесенные в охмеленное сусло при температуре
30...40 °С, действуют в процессе охлаждения сусла до температуры
брожения.
Установлено эффективное воздействие препаратов Амилопроторизина Г1ОХ и Г20Х на высокомолекулярные полимеры сусла и
молодого пива, что создает перспективу их применения для повы­
шения коллоидной стойкости пастеризованного и стабилизиро­
ванного светлого пива. Использование этих препаратов позволяет
получать пиво с меньшей вязкостью, более глубоко выброженное,
с высоким содержанием спирта и меньшим содержанием высоко­
молекулярных белковых веществ. При этом лучшее пиво по вкусу,
качеству пены и осветлению получается при использовании Амилопроторизина Г20Х, обладающего высокой протеолитической
активностью.
Для повышения стойкости светлого пива возможно приме­
нение Протосубтилина. Оптимальные условия введения препара­
та в охмеленное сусло — температура 30 °С, дозировка препарата
2г/гл (активность препарата 10Оед/г), длительность обработки
10—40 мин. В готовом пиве снижается содержание белковой
фракции А (по Лундину), а стойкость после пастеризации соста­
вила 42—46 сут против 20 сут в контроле.
При действии препаратов с активностью кислых экзопротеаз в
сусле образуются свободные аминокислоты, что тормозит синтез
дрожжами разветвленных аминокислот — предшественников выс­
ших спиртов и диацетила. В результате обработки сусла препара­
тами Пектофоетидин П10Х, Целлолигнорин П10Х содержание выс­
ших спиртов в готовом пиве снижается на 6 —7 %. Этого не проис­
ходит, если обработку проводят на стадии дображивания пива.
Для повышения коллоидной стойкости светлого пива возмож­
но применение композиции из препаратов Пектофоетидин П10Х
и Целлолигнорин П10Х, вносимой в сусло при температуре 40 °С,
в концентрации 2 г/гл, в диапазоне соотношений от 3:1 до 1:1
при длительности обработки 20 мин. В результате ферментатив­
ной обработки содержание высокомолекулярных азотистых ве­
ществ в сусле снижается на 35 %, полисахаридов — на 34 %. Стой­
кость готового пива увеличивается с 1 до 9 мес.
Определенный интерес для пивоварения представляет отече. ственный препарат Коллагеназа, выделяемый из гепатопанкреаса
•крабов в виде водного экстракта, не обладающий амилолитической и осахаривающей способностями. Коллагеназа обладает высо­
кой коагулирующей способностью, образует макромолекулярные
комплексы с белками пива и остаточными дрожжами, что усили■ вает эффект стабилизации.
Ш Сопоставляли действие Коллагеназы, папаина и комплекса Ами■ лоризин П10Х — Протосубтилин Г20Х на стойкость пива «Хамов3 ническое». Первые два препарата вносили на стадии дображивания, а ферментный комплекс — в начале брожения. По характеру
^ действия Коллагеназа сопоставима с папаином, взятым в невысоI кой дозировке по протеолитической активности (соответственно
4 510 и 140 ед/гл). При обработке Коллагеназой белковая фракция А
(по Лундину) снизилась на 30 %, стойкость готового пива увелиз чилась с 30 до 135 сут (табл. 8.3).
|
I Р"
8.3. Влияние обработки ферментными препаратами на стойкость пива
«Хамовническое»
Г
Ферментный препарат
Контроль
Амилоризин П10Х
"
"
-------------------------------------
Активность,
ед/г (ед/см3)
—
АС 1020
Дози­
ровка
на 1 гл
Показатель пастеризованного пива
Танниновый
показатель,
ед. ОП*
Холодная
муть,
ед. ЕПК**
Стой­
кость,
сут
0,51
2,26
30
0,31
1,4
120
■
0,9 г
ОС 235
ПС 36
Протосубтилин Г20Х
АС 1800
1,5 г
|ВГ
ОС 140
ПС 200
Папаин
ПС 465
0,3 г
0,22
1,2
135
Коллагеназа
ПС 34
15 см3
0,22
1,18
135
* ОП — оптическая плотность.
** ЕПК — Европейская пивоваренная конвенция.
Наиболее стабильное пиво получают, применяя комплекс фер­
ментов, гидролизующих азотистые, гумми-вещества, декстрины,
полифенолы и антоцианогены в сочетании с аскорбиновой кисло­
той или глюкозооксидазой, дополнительно предохраняющими го­
товое пиво от воздействия кислорода воздуха.
Повышение эффекта стабилизации достигается при дополни­
тельной обработке пива сорбентами, связывающими полифенолы.
В качестве сорбентов используют сильноосновные аниониты на
основе полистирола, например АВ-17-П, с помощью которого из
сусла и пива можно избирательно удалить 20—40 % общего коли­
чества полифенолов, практически не изменяя содержания других
компонентов. Удаление полифенолов оказывает благотворное вли­
яние на жизнедеятельность дрожжей, ферментативную активность,
скорость сбраживания сусла.
Для стабилизации пива от помутнений микробиологического
происхождения могут быть также использованы ферментные пре­
параты. Повышение биологической стойкости возможно за счет
лизиса бактериальной и дрожжевой микрофлоры пива. Для этой
цели пригодны препараты литических ферментов широкого спект­
ра действия, прежде всего литические экзопрогеазы, которые про­
являют активность в отношении клеток грамположительных и
грамотрицательных бактерий, дрожжей и других групп микроор­
ганизмов. Универсальность литических экзопротеаз основана на
том, что они воздействуют на белковые компоненты, присутствую­
щие в клеточных стенках микроорганизмов всех таксономических
групп. В качестве препарата литических экзопротеаз может быть
рекомендован Лизосубтилин или его иммобилизованная форма
Фермосорб. Препараты протеаз общего типа, такие, как Протосубтилин, Проторизин, папаин, пепсин и др., также способны вызы­
вать лизис микроорганизмов, хотя и в меньшей степени. Протеазы
активируют автолиз микроорганизмов, что в условиях лимитации
роста приводит к снижению их численности. Поэтому примене­
ние протеаз для стабилизации пива от коллоидных помутнений
одновременно повышает и его биологическую стойкость.
Перспективно использование в пивоварении, в частности для
стабилизации пива, нерастворимых иммобилизованных фермен­
тов. К их преимуществам следует отнести легкость выделения из
реакционной смеси фильтрацией или центрифугированием и воз­
можность многократного использования, например в качестве
наполнителя колонны, через которую протекает пиво, в непре­
рывном потоке.
Несмотря на определенные успехи, достигнутые при примене­
нии ферментных препаратов как улучшителей биологической стой­
кости пива, в дальнейшем предстоит совершенствование способов
ферментативной обработки пива, возможно, путем сочетания их с
адсорбционными методами. Исследования в этом направлении
продолжаются. Однако следует иметь в виду, что для эффективно­
сти действия любых стабилизаторов и получения качественного
пива с высокой стойкостью обязательным условием является стро­
гое соблюдение технологии и санитарного режима производства.
8.5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КВАСА
Промышленностью производится широкий ассортимент ква­
сов и напитков из хлебного сырья. По технологическим приемам,
которые в значительной степени определяют состав конечного
продукта, квасы можно разделить на две группы: квасы, получае­
мые с использованием процесса брожения, и квасы и напитки,
получаемые купажированием. Наибольшим спросом пользуются
квасы, получаемые путем брожения, в частности квас хлебный.
Традиционным сырьем, обусловливающим специфические вкус
и аромат концентрата квасного сусла и кваса, является рожь. На
заводах безалкогольных напитков квасное сусло получают либо
настойным способом из квасных ржаных хлебцев или из сухого
кваса, настойным или рациональным способом из ржаной муки,
ржаного и ячменного солодов, либо более распространенным
способом — из концентрата квасного сусла. Повышенное содер­
жание во ржи некрахмальных полисахаридов, особенно гуммивеществ, осложняет переработку заторов, приготовленных из по­
вышенных количеств несоложеной ржи. Поэтому использование
ферментных препаратов, активно гидролизующих некрахмальные
полисахариды ржи, с целью введения их в состав мультиэнзимной
композиции имеет для квасоварения большое практическое зна­
чение.
В МГУПП разработана интенсивная технология концентрата
квасного сусла с использованием 70—90 % несоложеного сырья и
10—30 % ржаного ферментированного солода. В качестве осахаривающих средств предложена мультиэнзимная композиция, со­
стоящая из Амилоризина П10Х, Ксилоглюканофоетидина П10Х
и Амилосубтилина Г10Х в соотношении 1:2,5:5, позволяющая
эффективно использовать до 90 % несоложеного сырья. При пере­
работке этого количества несоложеных зернопродуктов в затор
вносят МЭК в количестве 0,17—0,18 % массы засыпи. Время зати­
рания при этом сокращается на 12,5 % по сравнению с затрачива­
емым при использовании режима, предусматривающего внесение
50 % солода без ферментных препаратов. Целесообразно совмеще­
ние стадий осахаривания и концентрирования квасного сусла, для
чего в него перед упариванием вносят Амилоризин П10Х в коли­
честве 0,01 % массы сухих веществ сусла. В этом случае при темпе­
ратуре 55...60*С в течение времени, необходимого для сгущения
сусла до содержания сухих веществ 70 %, гарантированно прохо­
дит его осахаривание. Данный технологический прием позволяет
повысить в концентрированном сусле содержание редуцирующих
сахаров на 18 %, а а-аминного азота — на 22 %.
Для увеличения степени использования экстрактивных ве­
ществ зернового сырья, а также сокращения времени фильтрации
затора и промывания дробины целесообразно проведение этих
стадий при температуре 90...95 *С. При этом выход экстракта уве­
личивается в среднем на 0,7 %, а время фильтрации сокращается
на 15—20 %.
Установлено, что при гидролизе слизистых веществ ржи Ксилоглюканофоетидином П10Х образуется наибольшее количество
сахаров — предшественников ароматобразующих соединений.
Концентрат квасного сусла, приготовленный по разработанной
технологии, отвечает требованиям нормативно-технической доку­
ментации и не уступает по своим физико-химическим показате­
лям образцу, полученному с использованием 50 % солода.
Контрольные вопросы
1. Что является основным сырьем для производства пива? 2. Каковы основные
стадии технологического процесса производства пива? 3. Какова роль фермент­
ных препаратов в пивоварении? 4. Какие требования предъявляют к ферментным
препаратам? 5. Какие биохимические превращения происходят в субстрате под
действием ферментных препаратов? 6. Какие ферментные препараты используют
на стадии затирания? 7. Какое сырье используют в качестве частичного заменителя
солода? 8. Какие ферментные препараты (комплексы) используют при частичной
замене солода несоложеным сырьем? 9. Что такое стойкость пива и как ее опреде­
ляют? 10. Какие приемы используют для повышения стойкости пива? 11. Какие
ферментные препараты используют для повышения стойкости пива? 12. Какое
сырье используют в производстве кваса? 13. Какова роль ферментов в технологии
производства кваса? 14. Какие ферментные препараты входят в состав мультиэнзимного комплекса, используемого при получении концентрата квасного сусла?
Глава 9
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В СПИРТОВОЙ И ЛИКЕРО-ВОДОЧНОЙ ОТРАСЛИ
Спирт для пищевых целей в РФ вырабатывают из крахмало- и
сахаросодержащего сырья: зерна злаков, клубней картофеля и мелас­
сы. Сбраживание сусла из сахаристого сырья успешно протекает
под действием ферментативного комплекса дрожжей, приготов­
ление которых является одной из необходимых стадий техноло­
гического процесса. Подготовка сахаросодержащего сырья к сбра­
живанию заключается в растворении или разбавлении сахарных
растворов до необходимой концентрации, антисептировании и
добавлении питательных веществ к рассиропке. Однако мелассу
Iна спиртовых заводах перерабатывают в незначительном коли[«честве.
При производстве спирта из крахмалистого сырья на стадии его
переработки в сусло используют специальные препараты ферментов.
|
9.1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СПИРТА
Перед подачей в производство зерно подвергают очистке на возI душно-ситовых и магнитных сепараторах, а картофель очищают
[ от примесей и моют в картофелемойках (рис. 9.1). Затем зерно из1 мельчают на вальцовых, молотковых или других типов дробилках,
а картофель — на молотковых дробилках или картофелетерках.
Зерно и картофель
Приемка
Очистка
Хранение
мойка
Измельчение
Вода,
а-амилаза
|
Приготовление
Экстрапар
сырья, 100... 175 *С
массы
Осахаривание разваренной
массы, 57...58 *С
Осахаривающие
материалы
Чистая культура,
кислота, вода
сусла
Приготовление
сусла
|
Пар,
вода
Вода,
нескоцденсиро
ванные газы
Вода,
несконденсиро
Спиртовое брожение сусла
спирта
Сивушное
масло
Вода,
конденсат пара
барда
Эфиро-альдегидная
фракция
Рис. 9.1. Принципиальная технологическая схема производства спирта из зерна
и картофеля
Измельченное сырье смешивают с водой и получают зерновойЧ
замес или картофельную кашку. Для экономии пара на разварива-1
ние сырья производят подваривание зернового замеса или карто-1
фельной кашки до температуры 45...95 °С экстрапаром, получае-1
мым при разваривании сырья. Для снижения вязкости замеса в 1
него добавляют препарат термоустойчивой бактериальной а-ам и-1
лазы. Разваривание сырья производят в специальных аппаратах I
при температуре 100... 175 °С в зависимости от степени его измель-1
чения и продолжительности тепловой обработки. В результате I
такой обработки получают полупродукт — разваренную массу, I
которую охлаждают в теплообменниках или подвергают вакуум- 1
охлаждению до 57... 58 °С. После этого проводят обработку разва- I
ренной массы ферментом глюкоамилазой для гидролиза декстри- 1
нов до сбраживаемых сахаров. В результате осахаривания разва- I
ренной массы получают сусло.
I
Основную часть сусла охлаждают до 24...26 °С и направляют в I
батарею для сбраживания, а часть неохлажденного сусла при тем- I
пературе осахаривания перекачивают в дрожжанки для приготов- 1
ления засевных дрожжей и в возбраживатель для выращивания I
производственных дрожжей.
»
I
Сусло с содержанием сухих веществ 17—18 % и рН 3 ,8 -4 ,
предназначенное для размножения дрожжей, называют дрожже- 1
вым. Дрожжевое сусло, содержание сухих веществ в котором при
его сбраживании снизилось на 2/3 первоначального, называют
производственными дрожжами.
Начальная стадия брожения, характеризующаяся главным об­
разом размножением дрожжей и незначительным сбраживанием
сахара, называется возбраживанием. Количество сухих веществ в
сбраживаемом сусле на этой стадии уменьшается лишь на 3 —5 %
от первоначального.
С накоплением дрожжевой массы процесс брожения ускоряет­
ся и при наиболее благоприятных условиях достигает максимума.
Эта вторая стадия, характеризующаяся окончанием процесса раз­
множения дрожжей и сбраживанием большой массы сахара, назы­
вается главным брожением. На этой стадии брожения наблюдается
интенсивное выделение С 0 2, а содержание сухих веществ в
сбраживаемом сусле уменьшается на 10—12 % от первоначально­
го. Главное брожение и дображивание проводят при температуре
27...30 °С в течение 56—72 ч.
Сбраживаемое сусло с дрожжами называют бражкой, а сбро­
женное сусло — зрелой бражкой. Далее зрелую бражку разделяют
на ректификованный этанол, примеси и барду путем противоточного взаимодействия потоков пара, зрелой бражки и полупродук­
тов (процесс брагоректификации).
Теоретический выход спирта из 100 кг дисахаридов — 68,2 дм3.
,
Крахмал как основной компонент сухих веществ сырья, из когорого и образуется спирт, непосредственно дрожжами не сбра| живается. Поэтому его необходимо гидролизовать до сбраживае**| !мых сахаров, для этого используют ферменты.
^1.
В клубнях картофеля и в зерне злаков крахмал находится в не■ растворенном состоянии внутри клеток, стенки которых препята?:§| ствуют доступу к нему амилолитических ферментов, применяес,*| мых при осахаривании. Нерастворенный крахмал гидролизуется
*I* чрезвычайно медленно, в связи с чем первая стадия технологического процесса производства спирта заключается в водно-тепловой
Й обработке крахмалистого сырья, которая при непрерывных про*к Цессах включает и операцию предварительного измельчения для
■ полного разрушения клеточной структуры сырья и растворения
*■ крахмала.
'В
Подготовленная таким образом разваренная крахмалистая масII са подвергается воздействию амилолитических ферментов в опти| мальных для их действия условиях. Основная задача процесса
| ферментативного гидролиза крахмала, который на практике про[ должается и на стадии сбраживания, — наиболее полное и быст[ рое его превращение в сбраживаемые сахара.
|
I
В
|
р
|
|
I
I
I
I
I
I
I
|
I
[
I
Применяемый издавна как источник амилолитических фер­
ментов зерновой солод обеспечивает достаточно глубокое осахаривание и выбраживание только за 3 сут. Необходимо отметить,
что зерновой солод не только осуществляет гидролиз крахмала до
сбраживаемых сахаров, но и служит источником легкоусвояемого азотного питания для дрожжей, так как в процессе проращивания в нем накапливается значительное количество аминокислот
(от 7 % общего азота в зерне до 32 % в солоде). Накоплению аминокислот, пептонов и полипептидов в зерновом сусле способствуют также содержащиеся в солоде протеазы. Известно, что в зерне
содержатся протеазы эндо- и экзотипа. В процессе соложения активность их возрастает в 40 раз.
Для зернового солода характерна также определенная активность целлюлаз и гемицеллюлаз, под действием которых в некоторой степени происходит растворение клеточных стенок эндосперма.
Однако скорость осахаривания крахмала сырья ферментами
солода невысока, что затрудняет интенсификацию процесса брожения.
При применении ферментных препаратов микробного проис­
хождения можно значительно повысить концентрацию необходимых ферментов в среде и обеспечить таким образом глубокий
гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров за сравнительно короткий период.
Основная цель применения ферментов микробного происхож- *
дения на стадии осахаривания — исключение стадии соложения |
зерна, что приводит к интенсификации процесса и снижению себестоимости спирта.
К
Использование ферментов микробного происхождения в спирто- ,
вом производстве позволяет гидролизовать не только крахмал, но I
и клеточные стенки растительного сырья, а также оболочки и плен- 1
ки, что обеспечивает наилучший контакт крахмала с амилолити- 1
ческими ферментами, повышение степени использования сухих 1
веществ сырья и увеличение выхода спирта за счет образования к
сбраживаемых сахаров при гидролизе других полисахаридов.
щ I
Применение протеолитических ферментов позволяет гидроли- I
зовать белки, пептоны и полипептиды сырья до аминокислот,
являющихся ценным азотным питанием для дрожжей.
* 1
При непрерывном разваривании крахмалистого сырья приме- 1
няется предварительный нагрев замесов до 90... 95 "С с целью смяг- чения режима последующего этапа водно-тепловой обработки
сырья, который проводится при повышенной температуре и из­
быточном давлении, и снижения потерь сбраживаемых веществ.
Однако при этом в предразварнике происходит клейстеризация и
возрастает вязкость замесов, что затрудняет их дальнейшую транс- 5
ПОрТИрОВКу.
Использование для разжижения замесов зернового солода или
солодового молока нецелесообразно, так как в них содержится це­
лый ряд других ферментов, способствующих накоплению сахаров
и аминокислот. Наличие в замесе значительного количества сво­
бодных сахаров и аминокислот приводит к усилению сахароаминной реакции при последующем разваривании, что, в свою очередь,
увеличивает потери сбраживаемых веществ. Кроме того, при ис­
пользовании солода во время разваривания инактивируются осахаривающие ферменты, в связи с чем требуется дополнительный
расход солода на осахаривание. Наиболее целесообразно поэтому
применять ферментативное разжижение на стадии разваривания с
использованием препарата термостабильной а-амилазы, обладаю­
щего высокой разжижающей способностью и лишенного осахаривающих ферментов.
Применение бактериальной а-амилазы при нагреве замесов до
85...95 °С позволяет полностью использовать вторичный пар для
предварительного подогрева и смягчить режим разваривания, это
сопровождается уменьшением расхода пара на тепловую обра­
ботку и соответствующим снижением потерь крахмала при разва­
ривании.
Повышению эффективности применения ферментов микроб­
ного происхождения для гидролиза крахмала растительного сырья
способствовало установление важной роли фермента глюкоамилазы.
'
» Способность глюкоамилазы интенсивно расщеплять как а -1,4-,
‘гак и а -1,6- и даже а-1,3-связи, выдвинула этот фермент на первое
иесто по эффективности гидролиза крахмала до сбраживаемых са­
харов. Регулируя концентрацию глюкоамилазы в осахариваемом
заторе, можно значительно интенсифицировать процесс гидро11иза и сократить таким образом продолжительность брожения в
[ 2—Зраза.
| В целях интенсификации процесса осахаривания крахмала и
Iсбраживания осахаренного сусла дрожжами с помощью фермен;юв микробного происхождения должны быть решены следующие
[задачи:
;
• на первом этапе осахаривания, который начинается при пе­
репаде температур от 105 °С (в выдерживателе) до 60 °С (в осахари' вателе) необходимо обеспечить быстрый гидролиз крахмала до
■декстринов и сопутствующих сахаров для предотвращения ретро­
градации при дальнейшем охлаждении;
•
на втором этапе осахаривания при температуре 56...60°С в
течение 5 —60 мин (в зависимости от принятого режима) и при
температуре 30 °С (при последующем брожении) надо обеспечить
глубокий гидролиз крахмала за короткий срок.
Для дальнейшего повышения выхода спирта из единицы сырья
за счет снижения потерь крахмала и сбраживаемых углеводов и
использования других (некрахмальных) углеводов сырья необхо­
дим интенсивный гидролиз целлюлозы и гемицеллюлозы оболо­
чек и клеточных стенок сырья, обусловливающий лучший контакт
крахмала с амилолитическими ферментами, а также дополнитель­
ное образование сбраживаемых сахаров за счет гидролиза этих по­
лисахаридов.
9.3. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ФЕРМЕНТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ПРОИЗВОДСТВА
Ферментные препараты, вносимые при подваривании крахма­
листого сырья, прекращают свое действие на последующих стади­
ях технологического процесса, так как при повышенной темпера­
туре (136... 170 °С) они инактивируются, однако вызванные ими
биохимические превращения оказывают влияние на все последу­
ющие процессы спиртового производства, способствуя главным
образом углублению гидролитических процессов.
Действие ферментных препаратов, вносимых на стадии осаха­
ривания, продолжается также при брожении и приготовлении
дрожжевого сусла, что еще больше сказывается на протекании
ферментативного гидролиза и последующего сбраживания.
Стадия водно-тепловой обработки крахмалистого сырья. Исполь­
зование а-амилазы на стадии разваривания целесообразно только
при переработке измельченного сырья по схемам непрерывного
разваривания.
щ
Хорошая подготовленность сырья на стадии подваривания ха­
рактеризуется полным набуханием его и клейстеризацией крахма­
ла, что позволяет значительно смягчить режим разваривания и
снизить потери сбраживаемых веществ.
Нагрев массы при подваривании до максимальной температу­
ры способствует увеличению степени использования вторичного
пара и уменьшению расхода теплоты на варку, однако это приво­
дит к повышению вязкости замеса, что затрудняет проведение
дальнейших операций. Совершенствование режима подваривания
сырья невозможно без применения средств и приемов, направлен­
ных на понижение вязкости.
При переработке картофельной кашки и тонкоизмельченного
зернового сырья даже кратковременный нагрев замеса до темпера­
туры выше 60 °С приводит к быстрой клейстеризации крахмала и
резкому повышению вязкости, вследствие чего перекачивание мас­
сы становится невозможным. Применение бактериальной а-ами­
лазы (в дозе 0,8—1 ед. АС на 1 г крахмала) приводит к резкому
снижению вязкости клейстера, которая при охлаждении практи­
чески не повышается, поскольку крахмал переходит в растворен­
ную форму и при охлаждении не ретроградирует, поэтому такая
масса лучше подготовлена к осахариванию.
В процессе нагревания водно-мучных замесов может происхо­
дить накопление сахаров за счет гидролиза крахмала ферментами
самого зерна (самоосахаривание). Этот процесс при различных
температурах идет по-разному. При 55...65 "С преобладает осахаривание, при более высоких температурах (75...95"С) интенсив­
нее идет накопление декстринов.
Применение термостойкой бактериальной а-амилазы позволяет
проводить процесс разжижения при относительно высоких темпе­
ратурах (85...95 °С), что не только способствует полному использо­
ванию вторичного пара на предварительный подогрев, но и направ­
ляет процесс в сторону большего накопления высокомолекулярных
декстринов и меньшего — сбраживаемых сахаров. На интенсив­
ность накопления сахаров при подваривании оказывает влияние
не только природа применяемой а-амилазы, но и режим нагрева,
а также степень измельчения самого сырья (поверхность контакта).
При быстром нагреве, как с применением бактериальной а-амилазы, так и без нее, образуется меньше спирторастворимых угле­
водов.
Сочетание разжижения а-амилазой и медленного нагрева при­
водит к наиболее интенсивному накоплению сахаров, видимо, в
^результате совместного действия ферментов самого сырья и бактериальной амилазы.
Общая закономерность накопления спирторастворимых углевоI дов наблюдается как при крупном, так и при мелком помоле зерна.
Полученные данные о возможности повышения выхода спирг' та при смягчении режима благодаря разжижению замесов перед
развариванием легли в основу разработки ВНИИПБТ технологи­
ческого режима и усовершенствованной аппаратурно-технологи­
ческой схемы непрерывной водно-тепловой обработки крахмали­
стого сырья в производстве спирта.
Режим водно-тепловой обработки характеризуется следующи[ ми основными показателями: степень измельчения сырья —
100%-й проход через сито с отверстиями диаметром 1 мм; смеши­
вание измельченного сырья с водой и препаратом а-амилазы при
30...40 "С из расчета 0,8—1 ед. АС на 1 г крахмала; мгновенное на­
гревание смеси до 90...95 °С и выдерживание при этой температу­
ре 20—25 мин (с перемешиванием).
Количество нерастворенного крахмала в осахаренном сусле —
1,3 % введенного, в зрелой бражке — 0,25 %.
Эффективность применения бактериальной а-амилазы скла­
дывается из снижения расхода острого пара на разваривание в
результате повышения температуры предварительного нагрева за­
меса за счет теплоты вторичного пара с 65 до 95 °С и снижения
температуры разваривания со 140 до 133 °С.
В результате снижения потерь при разваривании по смягченно­
му режиму выход спирта увеличивается не менее чем на 0,4 дал из
1 т условного крахмала.
Стадии осахариваиия и брожения крахмалистого сырья. Если на
стадии разваривания внесение ферментов ограничивается только
разжижением замесов при минимальном накоплении сахаров и ами­
нокислот и продолжительность процесса не превышает 20 мин, то на
стадии осахаривания и брожения роль ферментных препаратов слож­
нее и процесс протекает более продолжительное время. Так как по
условиям технологического режима воздействие ферментов на сырье
должно распространяться на стадии осахаривания, брожения и дрожжегенерации, то и диапазон их действия должен учитывать темпе­
ратурные условия этих процессов и возможные колебания рН.
Основная отличительная особенность осахаривания крахмалис­
тых заторов ферментами микробного происхождения по сравнению
с зерновым солодом — более глубокое осахаривание конечных
декстринов, что объясняется наличием в применяемых препаратах
фермента глюкоамилазы.
При использовании в качестве осахаривающих материалов пре­
паратов глюкоамилазы происходит небольшое накопление маль­
тозы и значительное — глюкозы.
При осахаривании солодом накапливается 71 % мальтозы и
24—28 % глюкозы, а при осахаривании микробными ферментны­
ми препаратами — 14—20 % мальтозы и 80—85 % глюкозы.
*
При дображивании скорость гидролиза конечных декстринов
до сбраживаемых сахаров опережает скорость гидролиза их фер­
ментами зернового солода, в результате чего дображивание сусла
происходит быстрее, независимо от накопления сахаров на первой
стадии гидролиза.
4
9.4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ФЕРМЕНТНЫМ
ПРЕПАРАТАМ, И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
В зависимости от целей применения ферментных препаратов в
производстве спирта к ним предъявляются определенные требова­
ния в отношении состава ферментативного комплекса, оптималь­
ных условий их действия (рН и температура), степени очистки,
содержания наполнителей, стоимости, определяющей эффектив­
ность их использования, и ряда других факторов.
Ферментные препараты, применяемые в спиртовом производ­
стве, представляют собой:
• нативные неочищенные глубинные или высушенные поверх­
ностные культуры микроорганизмов;
• неочищенные концентрированные препараты;
• очищенные ферментные препараты.
Возможность применения неочищенных препаратов объясня­
ется тем, что конечный продукт спиртового производства на за­
ключительном этапе технологического процесса выделяют из
бражки методом перегонки и затем очищают с помощью ректифи­
кации, при которой путем многократной перегонки получают со­
вершенно прозрачный и относительно гомогенный продукт. Все
взвешенные, высокомолекулярные и нелетучие примеси, имею­
щиеся в культурах микроорганизмов, не попадают в пищевой про­
дукт — этанол.
Все составные части ферментного препарата практически оста­
ются в барде, которую используют на корм скоту, поэтому фер­
ментные препараты и полученная барда должны проходить спе­
циальную проверку на токсичность, кроме того, на применение
новых ферментов в производстве спирта из крахмалистого сырья
необходимо разрешение соответствующих органов.
Микробные ферментные препараты для спиртовой промыш­
ленности, как правило, являются комплексными, т. е. содержат
больше одного фермента. Применение такого препарата для осу­
ществления специфичного процесса, катализируемого одним фер­
ментом, неизбежно сопровождается действием и других сопут-
ггвующих ферментов, входящих в этот препарат. Поэтому в
симости от задач, стоящих на определенной технологической
хии спиртового производства, осуществляют оценку каждого
рентного препарата.
в
В таблице 9.1 представлены требования к составу ферме
которые наиболее часто встречаются в культурах микроорг;
мов и препаратах, применяемых в спиртовом производстве.
9.1. Требования к ферментному составу препаратов для применения в спиртовом
производстве
Группа ферментов
Ферменты, опре­
деляющие эффек­
тивность действия
препарата
Ферменты, спо­
собствующие ин­
тенсификации
процесса
Ферменты, содер­
жание которых
нежелательно
Для разжижения
замесов на стадии
водно-тепловой
обработки
а-Амилаза
Гемицеллюлаза,
целлюлаза
Глюкоамилаза,
протеаза, р-ами­
лаза. пуллуланаза, фосфатаза,
гликозилтрансфераза
Для замены зернового сырья на стадии
осахаривания и брожения
для осахаривания
дрожжевых заторов
для осахаривания
основных заторов
Глюкоамилаза,
а-амилаза, про­
теаза, олиго-1,6глюкозидаза
Геми целлюлаза,
целлюлаза, пуллуланаза, фосфа­
таза, (3-амилаза
Глюкоамилаза,
а-амилаза, олиго
1,6-глюкозидаза,
протеаза
Гемицеллюлаза,
целлюлаза, пуллуланаза, фосфа­
таза, а-амилаза
Гликозилтрансфераза
Гликозилтрансфераза
Для разжижения крахмала целесообразно применять препа­
раты термостабильной а-амилазы, с помощью которой можно
осуществлять непрерывный процесс клейстеризации-разжижения, вплоть до температуры полной желатинизации крахмаль­
ных гранул.
Максимальная эффективность действия термостабильных ами­
лаз для эффективного гидролиза крахмала зернового сырья нахо­
дится в интервале температур 60... 95 “С.
Источники термостабильной а-амилазы — ферментные препа­
раты Амилолихетерм, Термамил 120-Л (продуцент ВасШиз ИсНет/огтй), Термамил 5С (продуцент ВасШиз з1еаго1ИегторИИиз); мезофильной амилазы — Амилосубтилин и БАН (продуцент ВасШиз
зиЬНИз) различаются по уровню ферментативной активности при
различных температурах. Так, уже при 60 °С амилолитическая ак­
тивность термостабильной а-амилазы в препарате Термамил 8С
возрастает в 7,3 раза, при 70 ’С — в 8,3 раза; активность термоста-
бильной а-амилазы в препарате Амилолихетерм увеличивается в1
тех же условиях в 2,0 и в 2,7 раза соответственно.
В
Немаловажное значение имеет не только температурный ре- ;
жим гидродинамической и ферментативной обработки сырья, но *
и рН водно-мучной суспензии, при котором происходят разжиже- ,
ние и клейстеризация крахмала. Обычно этот показатель находит- '
ся в интервале 5,5—6,5 и соответствует оптимальным значениям р
действия ферментов. На спиртовых заводах значение рН водно- 1
мучных замесов и зернового сусла варьирует в широком диапазо- §
не: от 4,5 до 11,0. В этом случае требуется корректировка рН для |
создания оптимальных условий действия ферментов или приме- •
нение ферментных препаратов с требуемым оптимумом рН.
I
Новые кислотоустойчивые препараты термостабильной а-ами- ,
лазы выдерживают значения рН ниже 5,0, оптимальное значение I
рН 4,8 —6,0 (продуцент В. $1еаго1кегторИНиз), для термостабильной
а-амилазы (продуцент В. НсНет/огтй) оптимальное значение рН
5 ,5 -8 ,0 .
I
Высокая термостабильность и рН-оптимум действия этих фер- ;
ментных препаратов способствуют снижению их расхода для раз- 1
жижения крахмала зернового сырья: для термостабильных препа- ’
ратов по амилолитической активности 0,2—0,4 ед. АС на 1 г крах- |
мала; для мезофильных амилаз — 1,0—2,5 ед. АС на 1 г крахмала. I
Осахаривание на предприятиях спиртовой отрасли РФ хорошо
отработано и предусмотрено действующей технологической инст­
рукцией по производству спирта с применением глубинной гриб­
ной культуры. При трехсуточном брожении расход глубинной
культуры А. Ьа1а1ае-6\ должен быть таким, чтобы на 1 г перераба­
тываемого крахмала приходилось 6 ед. ГлС.
Применение концентрированных препаратов ферментов спо­
собствует улучшению технологических показателей, упрощению и
облегчению процесса производства. Регулируя количество препа­
рата глюкоамилазы на осахаривание, легко изменять продолжи­
тельность брожения и, следовательно, производительность бро­
дильного отделения.
В настоящее время на российском рынке появились сиропо­
образные концентрированные ферментные препараты различных
иностранных фирм для спиртовой отрасли, дающие хороший тех­
нологический и экономический эффект.
Недостатком концентрированных препаратов а-амилазы и глю­
коамилазы является отсутствие в них протеолитических ферментов,
необходимых для накопления азотистого питания для дрожжей, а
также ферментов, расщепляющих некрахмальные полисахариды
растительного сырья, что в некоторых случаях приводит к сниже­
нию выхода спирта (при переработке определенных видов сырья,
например ячменя).
При замене солода препаратами ферментов полученный спирт
'должен обладать высокими дегустационными качествами и не со­
держать вредных примесей.
Барда, полученная после переработки сырья с применением
;ферментных препаратов, не уступает по кормовой ценности бар| де, полученной с применением солода.
1
) 9.5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА
I
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В
|
Для интенсификации процессов получения спирта в настоящее
|: время используют новые технологические приемы: приготовление
[ и сбраживание высококонцентрированного сусла (22 % СВ), меха­
нико-ферментативная обработка сырья без использования пара
повышенного давления, гидротермическая обработка зерна.
Одним из резервов повышения эффективности сбраживания
высококонцентрированного сусла является подбор полиферментного комплекса, обеспечивающего биоконверсию всех высокомо­
лекулярных соединений зернового сырья, что позволит более ра­
ционально использовать все составные компоненты зерна, интен­
сифицировать процессы дрожжегенерации и брожения, снизить
потери сырья, повысить выход целевого продукта — этанола.
Гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз не только дает непо­
средственно сбраживаемую глюкозу, но и повышает доступность
крахмала ферментативному гидролизу, поэтому особенно важно
гидролизовать р-1,3—1,4-глюкан, который является существен­
ным элементом клеточных стенок эндосперма злаков (у ячменя и
овса глюкан составляет 75 % массы клеточных стенок эндоспер­
ма). В свою очередь гидролиз крахмала способствует повышению
доступности целлюлозы, и в присутствии амилолитических фер­
ментов степень расщепления целлюлозы несколько повышается.
Поэтому целлюлазные и гемицеллюлазные ферментные препара­
ты целесообразно применять на стадии осахаривания замесов,
совместно с а-амилазой и глюкоамилазой.
Отечественные ферментные препараты Целлофторин ГЗХ, Целлобранин ГЗХ, Ксилоглюканофоетидин П10Х и Целлюлаза-100
способны гидролизовать целлюлозу и гемицеллюлозы обогащенных
этими полимерами фракций зерна; в оптимальной дозировке целлюлаз 14—16ед/г субстрата при температуре 60 °С они за 2 —4 ч
расщепляют целлюлозу на 50 %.
Во ВНИИПБТ разработан способ применения МЭК СП-1 на
основе препаратов Амилоглюкаваморин ГЗХ, Целловиридин ГЗХ
и Пектофоетидин ГЗХ для осахаривания крахмалистого сырья в
производстве этанола. При оптимальной температуре осахаривания
56 °С дозировка МЭК СП-1 составляет 3 ед. глюкоамилазы, 0,69 ед. Ч
а-амилазы, 0,21 ед. ксиланазы и 0,09 ед. р-глюканазы на 1 г крахма­
ла. Процесс осахаривания осуществляют непрерывным способом.
Частично осахаренную массу направляют в бродильные аппараты, в
которые добавляют также предназначенную для второй стадии
осахаривания часть МЭК. Затем в бродильный чан вносят заранее
приготовленные дрожжи. Брожение осуществляют периодическим
методом в течение 72 ч. Осахаривание проводят в течение всего пе­
риода брожения при температуре процесса брожения. При приме­
нении МЭК и непрерывного процесса осахаривания выход этанола
по сравнению с нормативным увеличивается и составляет 101,2 %.
При приготовлении сусла в аппаратах гидродинамической об­
работки замесы нагревают лишь до 75...95 “С, что позволяет со­
хранить в недеградированном состоянии моносахара, аминокис­
лоты, пептиды, органические кислоты, витамины и некоторую
часть ферментативной активности. При низкотемпературной об­
работке замеса крахмал не может быть полностью клейстеризован,
часть его остается «сырым». В этих условиях необходимо исполь­
зовать ферментативные комплексы, способные воздействовать на
сырой крахмал, а-Амил аза некоторых штаммов В. зиЫШз гидроли­
зует сырой крахмал на 28—39 % в зависимости от его источника.
В сочетании с глюкоамилазой такая а-амилаза гидролизует неклейстеризованный картофельный крахмал на 95 %.
Препараты целлюлаз и гемицеллюлаз вносят на стадии осаха­
ривания в сочетании с а-амилазой и глюкоамилазой в дозировках
соответственно 1,5 и 7,5 ед. на 1 г крахмала.
При сбраживании сырья с высоким содержанием р-глюканов
(ржи, ячменя) рекомендуют применять препараты р-глюканазы не
только для осахаривания, но и для разжижения замеса при общем
расходе в смесителе и осахаривателе от 3 до 6 ед. р-глюканазы на
1 г сырья. В качестве препаратов р-глюканазы могут использовать­
ся Целловиридин, Зимафилт, Вискозим, Ультрафло.
Интенсивное сбраживание сусла дрожжами возможно лишь при
создании условий для их активного размножения. Лимитирующим
фактором роста на гидролизатах сырья, полученных с применени­
ем ферментов карбогидразного действия, является низкое содер­
жание свободных аминокислот. С целью обогащения сусла ами­
нокислотами используют ферментные препараты грибного проис­
хождения, обладающие высокой экзопротеазной активностью. Фер­
ментативный комплекс препаратов из культур различных штаммов
Азрег&Ииз огутде (Проторизина, Амилоризина, Амилопроторизина)
включает, наряду с эндопротеазами, экзопротеазы. Этот комплекс
обеспечивает более глубокий гидролиз белка, чем комплекс бакте­
риального препарата Протосубтилина, основная активность кото­
рого определяется металлопротеазой (табл. 9.2).
•
I
9.2. Содержание свободных аминокислот в средах, обработанных препаратами
с протеолитической активностью
Прирост свободных аминокислот, %к
исходному
Среда
Условия гидролиза
Амилопроторизин П10Х
Амилопроторизин Г10Х
Амилоризин П10Х
Прото­
субтилин
Г10Х
Картофельное
сусло
рН 5,5; / -= 50 "С; 1 ч
97
108
84
16
Ячменное
сусло
рН 5,5; / >= 50 ’С; 1 ч
рН 4; * = 30 ‘С; 24 ч
141
152
868
89
38
—
Ячменная
болтушка
рН 5,5; / •= 50 °С; 1 ч
205
227
168
пт|
84
В результате использования Амилопроторизина сусло обогаща­
ется легко ассимилируемым аминным азотом, что существенно
сказывается на физиологической активности дрожжевых клеток.
При этом повышается не только плотность дрожжевой популяции
(в 2 раза), но и бродильная способность, а также продуктивность
клеток (на 20—25 %). Это особенно важно на первом этапе, когда
скорость процесса, вероятнее всего, лимитируется количеством
дрожжей и их состоянием. Значительно интенсифицируется и
процесс спиртового брожения.
Для обеспечения максимального роста дрожжей и сокращения
сроков брожения с 72 до 42—46 ч дозировка протеаз должна соот­
ветствовать 5 —8 ед. ПС/г белка при нормативном расходе а-ами­
лазы и глюкоамилазы (1 ,5 ед. АС и бед. ГлС на 1 г крахмала).
Интенсификация процесса брожения происходит как на стадии
главного брожения, так и при дображивании.
Для осуществления стандартного трехсуточного брожения воз­
можно снижение расхода глюкоамилазы вдвое (3 ед. ГлС вместо
6 ед. ГлС на 1 г крахмала).
Дрожжевые клетки синтезируют аминокислоты из неоргани­
ческого азота, используя при отсутствии необходимых амино­
кислот углеродный скелет сбраживаемых углеводов. Обогащение
питательной среды свободными аминокислотами способствует со­
кращению расхода сахара на построение биомассы дрожжей и об­
разование побочных продуктов брожения, что приводит к увели­
чению выхода этанола. Данный эффект достигается в результате
прямой ассимиляции аминокислот из окружающей среды. Введе­
ние в процесс протеолитического комплекса, содержащего актив­
ные экзопротеазы, приводит к увеличению выхода основного про-
единицу дрожжевых клеток
пооочных продуктов, чем в контроле (табл. 9.3). Отмеченное сни­
жение концентрации синтезируемых метаболитов подтверждает
возможность прямой ассимиляции аминокислот дрожжами.
к
9.3. Содержание основных, вторичных и побочных продуктов брожения в бражке
Продукт
С протеазами
Без протеаз
Количество дрожжевых клеток, млн/см3
138,0
71,0
Выход этанола из 100 г крахмала, см3
68,0
66,2
Глицерин, об. %
0,37
0,46
Ацетальдегид, об. %
0,00149
0,00620
Метилацетат, об. %
0,000652
0,000815
Метилпропионат, об. %
0,00136
0,00233
Метанол, об. %
0,00708
0,009203
/#-Пропанол, об. %
0,00873
0,00616
Изобутанол, об. %
0,007605
0,001048
я-Буганол, об. %
0,000002
0,000004
Изоамилол, об. %
0,02680
0,02730
0,029
0,035
Пропионовая и изомасляная кислоты, об. %
0,0
0,0006
Изовалериановая кислота, об. %
0,0
0,0040
0,08272
0,10209
81,0
100,0
42,0
100,0
Уксусная кислота, об. %
ших спиртов и кислот:
об. %
альдегидов
% контроля
Количество побочных метаболитов, образованных
1 млн дрожжевых клеток, %
Увеличение выхода спирта объясняется снижением расхода са­
хара на рост биомассы дрожжей и образование побочных про­
дуктов брожения, повышением конечной степени сбраживания
за счет более полного и глубокого гидролиза крахмала, а также
использованием углеродного скелета аминокислот на биосинтез
этанола.
Не менее важное значение для увеличения производительности
спиртового производства при сбраживании сусла с повышенной
концентрацией сухих веществ имеет его обогащение ассимилиру­
емым аминным азотом под действием подобранного протеолити170
веского комплекса. Дрожжи, выращенные на таком сусле, облада|от повышенной осмофильностью и толерантностью к продуктам
брожения и сбраживают за 72 ч сусло с 22 % сухих веществ с техюлогическими показателями, соответствующими варианту, где
использовали сусло с 16 % сухих веществ.
Исследование 15 ферментных препаратов отечественного и за­
рубежного производства, гидролизующих крахмальные и некрах«альные полисахариды и белковые соединения зернового сырья
(табл. 9.4), позволило установить состав оптимальной ферментной
системы и технологические параметры трехстадийного разжиже­
ния концентрированных замесов:
0,3—0,4 ед. АС на 1 г
0,06 ед. Р-1ЙС на 1 г
Водно-мучная
суспензия
1:2; 45 *С;20мин
Замес
65 *С; 1 ч
Замес
90 *С; 1 ч
Введение разжижающих ферментов осуществляют на первой
стадии процесса. Возможно дробное введение препарата термо­
стабильной а-амилазы: 0,3 ед. АС на первой стадии и 0,1 ед. АС на
третьей стадии процесса. Высокая степень и однородность помола, низкии гидромодуль при получении замеса с частичным ис­
пользованием фильтрата барды и применение разжижающих фер­
ментов определяют основу ресурсосберегающей технологии пере­
работки зерна на спирт на начальном ее этапе.
Максимальная степень осахаривания крахмала достигается при
использовании 24 ед. ГлС на 1 г крахмала за 6 —8 ч гидролиза, при
этом через 4 ч степень гидролиза составляет 80 %. При снижении
дозировки до 8 ед. ГлС на 1 г крахмала эта же степень гидролиза
достигается за 10—12 ч.
Из ферментных систем, способных к глубокому гидролизу
высококонцентрированных сред, наибольшей гидролитической
способностью обладает система, в состав которой наряду с а-амилазой и глюкоамилазой входит комплекс грибных протеаз, напри­
мер Амилопроторизина. Гидролиз белковых соединений повы­
шает атакуемость крахмала амилолитическими ферментами, что
положительно сказывается на скорости и глубине осахаривания.
В этом случае степень гидролиза крахмала составляет 86,5 %, со­
держание редуцирующих сахаров — 19,4, глюкозы — 15,7 %; кон­
центрация аминного азота в среде увеличивается в 1,5 раза.
Продолжительность спиртового брожения и выход спирта за­
висят от степени подготовки зернового сырья и применяемых
ферментных препаратов.
На стадии осахаривания концентрированного пшеничного сус­
ла используют препараты: Амилосубтилин, БАН, Фунгамил — ис­
точники а-амилазы; Глюкаваморин, СанСупер — источники глюи
ц
о
о
и
и
ЙI
со.
о
о
оо
с
и
«5
о
о
о
о
о
о
о
о
о
40
N
о
о
со
зх
о
«О
40
40
40
о
о
о
о
§оо
5?
о
8гм о
«о
о
о
40
о
гм
о
со
о
о
8о о
-• гч
о
СО
<N1
оо
о
о
о
г о
О
ГМ о
о
о
о
40 <N14>
о
о
СО
тГ
тг
о>)
о
гм
§
со
зх
я
о
А
О
о
о
'О
Д
о
■"1 чо о
о
о
о
«о
гм
оо —
к
ОО
о
З
§
«
«
и
X
5
и
8
Й
&*
5
2
Й
8
со
X
1
я3
X
ев
2
2
2
ев
св
5I
Я
ев
Я
л
о
2
«5
X
5а.
0
1
г
2
со
г.
г
2
а
со.
I•
§
о
*
*2
са
я
са
X
ев
О
Т
О со.
X
о.
и
с> ч
и
X
<3
ев
§
I
*
3
о.
X
а
о
С
5
я
2
X
со
О
*
и
5
СО
б
08
5
2
Б
Шшт
К
ГГ
2
X
83
о.
ев
<и
э
I коамилазы; Амилопроторизин, Алкалазу — источники протеаз, из
г расчета 1 ед. АС, 6 ед. ГлС на 1 г крахмала и 0,3 ед. ПС на 1 г сы­
рья. Разжижение пшеничного замеса (гидромодуль 1:2) осуществI ляется по разработанной схеме.
;
Применение указанных ферментных комплексов для осахари. вания крахмала в концентрированных средах положительно влияI ет также на физиолого-биохимическую активность и размножение
I дрожжей. Концентрация клеток дрожжей к 20 ч брожения состав­
ляет 100—115 млн клеток в 1 см3, морфологическое и физиологиГ ческое состояние дрожжей хорошее.
Применение протеолитических ферментов интенсифицирует
процессы дрожжегенерации и спиртового брожения, что согласу­
ется с данными о повышении осмофильности дрожжевых клеток
при обогащении питательной среды аминным азотом. Это проис­
ходит при использовании грибного протеолитического комплекса,
содержащего экзопептидазы. Использование бактериальных про­
теолитических ферментов менее эффективно.
Аналогичные закономерности установлены при использовании
и других крахмалосодержащих субстратов. Однако при приготов­
лении замесов и сусла из трудносбраживаемых видов сырья, таких,
как рожь и ячмень, содержащих около 25 % некрахмалистых по­
лисахаридов, в рекомендуемых комплексах ферментов необходи­
мо увеличить дозировку ксиланазы и р-глюканазы.
Таким образом, эффективное сбраживание концентрирован­
ного зернового сусла достигается на основе использования комп­
лексных ферментных систем широкого спектра действия путем
улучшения реологических свойств замеса и сусла, повышения
продуктивности клеток дрожжей, что обеспечивает ускорение про­
цесса брожения.
Введение пуллуланазы в составе амилолитического комплекса
позволяет повысить степень осахаривания крахмала с образовани­
ем растворимых углеводов (11,9—14,5 % против 9 —12,8 % в конт­
роле) и снизить дозировку глюкоамилазы на осахаривание. При
этом имеет место тенденция к увеличению выхода спирта.
Во ВНИИПБТ подобран комплекс ферментов, обеспечиваю­
щий интенсификацию сбраживания пшеничного сусла, состоящий
из глюкоамилазы, пуллуланазы и грибных протеаз (табл. 9.5).
Использование подобранных комплексов способствует сниже­
нию сроков сбраживания пшеничного сусла до 42 ч (17% СВ) и
62 ч (24 % СВ). Пуллуланаза, входящая в комплекс, позволяет по­
высить степень и скорость гидролиза крахмала в результате более
полной деструкции амилопектина и повышения эффективности
действия глюкоамилазы.
Реологические биохимические характеристики ржаного и яч­
менного сусла, а также показатели бражки зависят от концентра-
9.5. Влияние ферментативного комплекса и длительности гидролиза полимеров
пшеничного сусла на интенсивность брожения
Характеристика брожения
Комплекс ферментов на стадии
осахаривания
Время
гидро­
лиза, ч
Содержание сбраживаемых
углеводов, %
18 ч
42 ч | 62 ч | 72 ч
Выход
спирта,
см3/100 г
крахмала
Для сусла 17 % СВ
6 ед. ГлС + 0,1 ед. ПлС
6 ед. ГлС + 0,1 ед. ПлС + 0,3 ед. ПС
Д ля
7 ед. ГлС + 0,1 ед. ПлС
7 ед. ГлС + 0,1 ед. ПлС + 0,3 ед. ПС
1
4,9
0,46
0,24
2
4,1
0,4
0,22
4
3,2
0,26
0,2
1
2
0,22
2
1,4
0,2
--------
К
~
—
66,9
67
67,1
—
67,8
67,9
сусла 24 % СВ
1
8.1
0,75
0,52
0,42
65,8
2
7,8
0,69
0,46
0,38
66,2
4
6,8
0,65
0,4
0,36
66,4
1
2,8
0,52
0,35
2
2,1
0,36
0,29
V, —
ЗшЬт
67
67,3
ции гемицеллюлаз. Оптимальные дозировки р-глюканазы, ксиланазы и целлюлазы обеспечивают эффективное сбраживание сусла
с одновременным увеличением выхода спирта. Поскольку ячмень
отличается от других зерновых культур высоким содержанием
клетчатки (до 8 %), наряду с р-глюканазой и ксиланазой вводят
целлюлазу.
В результате гидролиза глюканов сырья происходит дополни­
тельное высвобождение глюкозы, что способствует повышению
выхода спирта. Ксиланолитическое действие фермента оказывает
более существенное влияние на реологические свойства сусла,
вязкость которого под действием этого фермента снижается более
чем в 2 раза. При этом суммарное воздействие этого комплекса на
полноту его сбраживания более эффективно, чем суммируемое
действие ферментов комплекса, используемых по отдельности:
выход спирта увеличивается на 2,6 % против 1,6. Введение протеаз
в состав указанного комплекса в дозировке 0,05 ед. ПС/г сырья
еще в большей степени способствует интенсификации процесса
брожения и увеличению выхода спирта на 3,2 %.
Для получения ячменного сусла основными ферментами ком­
плекса, как и в случае использования ржи, являются ксиланаза и
р-глюканаза. Применение целлюлазы может быть рекомендовано
в случае переработки сырья с повышенным содержанием целлюло­
зы. Введение протеаз в состав комплекса (0,05 ед. ПС на 1 г сырья)
также способствует повышению степени сбраживания ячменного
сусла (табл. 9.6).
Состав ферментативных комплексов для получения ржаного и ячменного
Нормы расхода ферментов, ед/г сырья
Вид сырья
р-ГкС
Рожь
0,025
Ячмень
0,03
1
КС
'
|
ПС
|
мцс
0,05
0,05
-
0,15
0,05
0,35
Ферментные препараты Амилопроторизин КФПА, Ксилоглюканофоетидин и Зимафилт — источники р-глюканазы, наиболее
глубоко гидролизуют глюкан с образованием глюкозы, которая
сбраживается дрожжами, что в итоге приводит к синтезу дополни­
тельного количества этанола. Этим можно объяснить повышение
выхода спирта при сбраживании сырья, обработанного фермента­
тивными комплексами, содержащими р-глюканазу.
Многопродуктовые схемы переработки зерна на этанол и кормопродукты позволяют решить проблему утилизации основного
отхода спиртового производства — барды, что улучшает эколо­
гическую обстановку на предприятии. Дифференцированное
использование зерновки дает возможность снизить энергоза­
траты на сушку барды и повысить качество этилового спирта.
Однако существующие способы разделения зерна на фракции не
позволяют выделить эндосперм без определенных потерь крах­
мала, величина которых обусловлена реологическими свойства­
ми сырья.
Новый способ биотехнологической обработки зерна перед ше­
лушением с использованием ферментных препаратов целлюлаз и
гемицеллюлаз позволяет снизить потери крахмала при фракцио­
нировании и осуществить деструктуризацию некрахмальных по­
лисахаридов.
Общая схема биотехнологического способа обработки зерна
ржи перед шелушением включает следующие стации: увлажнение
зерна раствором ферментного препарата; отволаживание в тече­
ние 3 ч при температуре, оптимальной для действия ферментов;
сушка до исходной влажности; разделение на фракции перед ше­
лушением (рис. 9.2).
Наилучшие результаты получаются при обработке зерна ржи
ферментными препаратами Шеарзим 500Л и Ксилоглюканофоетидин П10Х при норме дозировки 10 ед. основной активности на
1 г некрахмальных полисахаридов. В этом случае содержание ус­
ловного крахмала в эндосперме возрастает с 60,3% в контроле
(зерно шелушеное без обработки) до 66,7 и 66,86 % соответст­
венно.
Щ
Этот способ обработки зерна перед фракционированием в ре­
зультате изменения реологических свойств зерновки позволяет не
только снизить потери крахмала, но и изменить структуру некрах­
мальных полисахаридов, что приводит к увеличению доли легко­
гидролизуемых фракций. Одновременное разрыхление внутрен­
них слоев зерновки дает возможность снизить энергозатраты на
измельчение.
~
Сбраживание сусла из ржи, прошедшей обработку фермент­
ным препаратом Шеарзим 500Л, позволяет получить бражку с
наибольшим содержанием алкоголя — 7,04 % (табл. 9.7).
Примеси
Очистка
Вода,
ферментные
препараты
до И*=18-20 %
Измельчение
Помол
Воздух
Смешивание с
Сушка до исходной
влажности
(воздух 75...85 *С)
Шелушение (15 %) I
Фракция
периферийных
частей
Шелушеное
зерно
Смешивание
Теплоноситель
Ферменты
амилолити1 ческого
комплекса
Механико­
ферментативная
обработка
г
—
Теплая вода
Сусло
|
Сбраживание
Сушка
ормовой бардяной
препарат
Перегонка и ректификация [■*
нол
Рис. 9.2. Принципиальная технологическая схема производства спирта из зерна,
освобожденного от периферийных частей
Сравнительная характеристика состава зрелой бражки
обработка зерна ржи)
Показатель
Контроль
(целое зерно)
Зерно после биотехнологической
обработки препаратами
Шеарзим
500Л
Новозим
188Л
Бирзим
ВС
Крепость дистиллята, об. %
6,63
7,04
6,88
6,81
Массовая концентрация рас­
творимых углеводов, г/100 см3
0,29
0,27
0,31
0,35
0,2
0,04
0,11
0,12
Действительный экстракт, %
3,52
3,38
3,27
3,21
Титруемая кислотность, град
0,53
0,51
0,52
0,5
Выход спирта из 1 т условно­
го крахмала, % контроля
100,00
104,64
103,81
103,98
Массовая концентрация не­
растворимого крахмала,
г/100 см3
.
'
Наряду с крахмалосодержащим сырьем можно использовать
другие виды сырья: топинамбур, древесину быстрорастущих пород
деревьев и др.
Топинамбур, по мнению отечественных и зарубежных спе­
циалистов, — один из самых дешевых видов сырья для спирто­
вой промышленности. Это весьма существенное его преиму­
щество, так как спиртовая отрасль относится к материалоемким
отраслям пищевой промышленности, в которой затраты на сырье
и основные материалы составляют более 80 % общих затрат на
производство.
Топинамбур относится к инулинсодержащему сырью. Кроме
преобладающих в количественном отношении потенциально
доступных для сбраживания углеводов (инулина, инулидов, оли­
госахаридов, фруктозы) в нем имеется достаточно азотистых ве­
ществ, микро- и макроэлементов. Клубни богаты витаминами, в
частности биотином, обладают активным комплексом ферментов,
гидролизующих инулин.
Наиболее перспективный способ подготовки топинамбура к
сбраживанию — ферментативный гидролиз инулина. Причем он
может быть осуществлен как совместным действием собственных
инулиназ сырья (они достаточно активны в топинамбуре), так и
путем внесения в среду ферментных препаратов, обладающих дан­
ной активностью, например комплексного ферментного препара­
та цитолитического действия Ксилоглюканофоетидина, обладаю­
щего высокой инулиназной активностью.
Перспективным видом сырья, которое может в значительной 1
мере заменить крахмалосодержащее сырье, является целлюлоза. !
В настоящее время целлюлозосодержащее сырье после кислотно- е
го гидролиза используют для выработки технического этанола.
1
Сырьем для получения этанола-энергоносителя может служить I
измельченная древесина быстрорастущих пород деревьев (тополя, Я
осины, ивы и др.), обработанная методом парового взрыва. Это Я
кратковременное (1—10 мин) выдерживание увлажненного сырья, 1
пропитанного сернистым газом, при температуре от 120 до 250 "С 'I
с последующим резким сбросом давления. Кратковременный гид- 1
ролиз в кислой среде и механическое разрушение при сбросе дав- 3
ления приводят к дезацетилированию и расщеплению гемицел- I
люлоз, переходящих в раствор, к выплавлению части лигнина и ]
ослаблению лигноуглеводных связей. Взорванная лигноцеллю- |
лоза имеет развитую поверхность и хорошо подвергается фер- ]
ментативному гидролизу. Препятствие к сбраживанию гидроли- 1
затов — наличие побочных продуктов деструкции древесины
(ацетата, фурфурола и его производных, л-оксибензойной кис­
лоты и др.), которые могут быть удалены промыванием сырья го­
рячей водой.
Одним из потенциальных видов сырья для выработки этанола в
средней полосе России является ива козья (5аИх саргеа). Измель­
ченную древесину ивы обрабатывают паровым взрывом в течение
1 мин при 200 °С и концентрации сернистого газа 0,5 %. Взорван­
ное сырье имеет влажность 40 — 50 %. Для гидролиза используют
смесь растворов препаратов Целловиридина и Пектофоетидина
после ультрафильтрации. Предельная степень конверсии сырья в
глюкозу составляет для промытого водой сырья 74 %, для непро­
мытого — 53 % при исходной концентрации сырья соответствен­
но 27 и 21 %. Установлено, что оптимальная концентрация сырья
для гидролиза составляет около 20 %. Перемешивания сырья в
ходе гидролиза не требуется, поскольку целлюлолитические фер­
менты находятся в сорбированном состоянии и скорость диф­
фузии не лимитирует реакцию. Состав конечных продуктов гид­
ролиза, %: глюкоза 70—76, ксилоза 12—14, целлобиоза 3—11,
гентиобиоза 1—3. Эффективный гидролиз сырья, заканчиваю­
щийся при температуре 50 °С в течение суток, возможен при
концентрации фермента не менее 20 ед. на 1г СВ сырья. С целью
экономии ферментов возможно использование для повторного
гидролиза фракции слабоадсорбирующихся целлюлаз, которые
выделяют из гидролизата ультрафильтрацией, что позволяет со­
кратить расход ферментов до 8 ед. на 1г СВ сырья и обеспечивает
рентабельность процесса. Гидролиз взорванной древесины дает
сиропы с содержанием глюкозы от 10 до 16%, которые можно
сбраживать в этанол.
9.6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В ТЕХНОЛОГИИ АЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ
В технологии приготовления концентрированных основ напит­
ков и бальзамов применяют концентрированные соки и плодовоягодные экстракты, которые по химическому составу и содержа­
нию биополимеров существенно отличаются от полуфабрикатов,
традиционно используемых в ликеро-водочной промышленности,
что влечет за собой технологические затруднения и приводит к
нарушению коллоидной стойкости напитков.
Во ВНИИПБТ разработана новая биотехнология обработки по­
луфабрикатов из наиболее распространенных видов растительного
сырья: рябины сушеной, чернослива, яблок, вишни, мандаринов с
применением новых МЭК.
Для обработки сырья и полуфабрикатов применяют фер­
ментные препараты различной специфичности со степенью очис­
тки 10Х: Пектофоетидин, Целловиридин, Ксилоглюканофоетидин, Проторизин.
Препараты используют в количестве 0,5 % при соотношении
сырье: экстрагент 1:2,5, крепость водно-спиртового раствора —
10 %. Лучшие результаты дает внесение в полуфабрикат компози­
ции из трех препаратов: Пектофоетидина П10Х, Целловиридина
Г10Х и Проторизина П10Х. Выход морса, его экстрактивность,
содержание органических кислот, прозрачность полуфабриката
при этом оптимальные. Возможно внесение только двух препара­
тов Пектофоетидина П10Х и Целловиридина Г10Х, что также дает
хорошие результаты. Следует отметить, что влияние Проторизина
П10Х проявляется лишь в сочетании с препаратами пектолитического и целлюлолитического действия.
Проведенные научные исследования позволили разработать
новую технологию переработки сырья для получения морсов в
ликеро-водочной промышленности. Так, для приготовления мор­
са из чернослива в дробленое сырье вносят водный раствор МЭК,
состоящий из 0,5 % Пектофоетидина П10Х (активность 9ед/г)
и 0,005 % Целловиридина Г10Х. Для приготовления морса пер­
вого слива в смесь добавляют водно-спиртовой раствор кре­
постью 10% с учетом сохранения необходимого соотношения
сырье: экстрагент. Ферментативную обработку проводят в тече­
ние 4 ч при температуре 20...22вС, смесь спиртуют до крепости
50 %, настаивают в течение 2 — 3 сут с периодическим перемеши­
ванием. Морс второго слива готовят путем вторичного внесения в
сырье водно-спиртового раствора крепостью 45 % в количестве
70 % от внесенного в первый раз и выдержки в течение 2—3 сут.
Морсы первого и второго сливов объединяют.
Технология приготовления рябинового морса включает дроб­
ление сырья, смешивание с водно-спиртовым раствором, вне­
сение препарата Пектофоетидина П 1ОХ в количестве 0,1 % и
настаивание при температуре 20 °С в течение 6 ч. Далее смесь
спиртуют до крепости 50 % при соотношении сырье: экстрагент
1:4 и настаивают 3—4 сут. Получают морс первого слива. Сырье
вторично заливают водно-спиртовым раствором крепостью 45 % в
количестве 70 % внесенного в первый раз и выдерживают в тече­
ние 3—4 сут. Морсы первого и второго сливов объединяют.
По разработанной технологии продолжительность настаивания
сокращается в 3—4 раза, а содержание извлекаемых экстрактив­
ных веществ возрастает на 3 %.
Контрольные вопросы
1.
Каковы основные стадии спиртового производства? 2. Какое сырье ис­
пользуют для получения спирта? 3. Какие ферментные препараты применяют в
спиртовом производстве? 4. Каковы цели применения ферментных препара­
тов? 5. Какие биохимические превращения происходят под действием фер­
ментов на стадиях производства спирта? 6. Какие требования предъявляются к
ферментным препаратам при использовании их на стадии осахаривания крах­
малистого сырья? 7. Что такое комплексный ферментный препарат? 8. Как
влияет состав ферментного препарата на процесс осахаривания крахмала?
9. Какие нетрадиционные виды сырья используют в производстве спирта, ка­
ковы особенности их применения? 10. Как используют ферментные препараты
в технологии получения полуфабрикатов для ликеро-водочной промышлен­
ности?
Г л а в а 10
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В КРАХМАЛО-ПАТОЧНОЙ ОТРАСЛИ
С начала 70-х годов XX в. мировая потребность в сахаре в зна­
чительной мере удовлетворяется за счет сахаристых продуктов из
крахмала, производство которых в развитых странах существенно
превышает производство сахарозы. Различные в иды сахаристых
продуктов получают ферментативными методами, используя в ка­
честве сырья крахмал, зерно злаков, инулинсодержащее сырье,
молочную сыворотку. Особенно важны для пищевой промышлен­
ности продукты ферментации крахмала — глюкозно-фруктозный
сироп и различные виды патоки.
Технология сахаристых продуктов из крахмала имеет единую
принципиальную схему:
9
клейстеризация-разжижение -> осахаривание -> изомеризация
глюкозы
Отдельные продукты получают, используя или только первую,
или первую и вторую, или все три стадии. Индивидуальные ха­
рактеристики получаемых продуктов определяются свойствами
применяемых ферментных препаратов и режимом ферментации
сырья.
Ферментативная конверсия крахмала в сахара не имеет недо­
статков, характерных для применявшегося ранее кислотного гид­
ролиза, при котором в гидролизатах обнаруживаются продукты
реверсии и термического разложения углеводов, снижающие ка­
чество и выход сахаристых продуктов.
10.1. ТЕХНОЛОГИЯ ГЛЮКОЗЫ, ПОЛУЧАЕМОЙ
ФЕРМЕНТАТИВНЫМ СПОСОБОМ
При кислотном гидролизе крахмала практически нет возмож­
ности регулировать углеводный состав гидролизатов, так как кис­
лота не проявляет специфичности к гликозидным связям в крах­
мале и поэтому происходит беспорядочное расщепление молекул
крахмала, а продуктами гидролиза служат глюкоза и ее полимеры
различной степени полимеризации. При этом для любой данной
степени гидролиза состав углеводов аналогичен. Кислота катали­
зирует также расщепление примесей крахмала, что ухудшает ка­
чество гидролизатов. Возможность варьирования углеводного со­
става и других физико-химических свойств продуктов гидролиза
крахмала обеспечивается на основе ферментативного гидролиза
путем подбора и селекции соответствующих продуцентов фермен­
тов, а также разработки определенного технологического режима
процесса.
Сотрудниками ВНИИК и МГУПП разработана технология
глюкозы, получаемой ферментативным способом. Использование
ферментных препаратов позволяет вырабатывать глюкозу без от­
деления межкристального оттека при высоком ее качестве. При
этом выход глюкозы выше (106—109 % по крахмалу), чем при вы­
работке кристаллической глюкозы (70 %). Значительно сокраща­
ется длительность кристаллизации — с 5—Юсут при существую­
щей технологии кислотного гидролиза крахмала до нескольких
часов при ферментативном способе.
Способ производства глюкозы с применением ферментов неза­
висимо от вида сырья, источника ферментов, имеющегося обо-
Рис. 10.1. Принципиальная технологическая схема производства глюкозы с приме­
нением ферментов
! рудования и других условий включает стадии разжижения крахма|ла и осахаривания, осуществляемые последовательно и с исполь­
зованием различных катализаторов — ферментов (рис. 10.1).
В ферментативных процессах одним из решающих факторов гидI ролиза крахмала является его атакуемость. В клейстеризованном раз1жиженном виде он гораздо легче поддается глубокому расщеплению.
Стадию разжижения можно проводить с помощью либо кисло­
ты, либо термостабильных ферментов, например бактериальной
а-амилазы.
Изменение рН при разжижении от 5,5 до 7 не оказывает суще­
ственного влияния на результаты этого процесса и осахаривания
крахмала. Это позволяет упростить процесс и отказаться от регу­
лирования рН. Лучшие результаты получаются при многоступен­
чатом нагревании с температурными паузами при 65, 67 и 70 °С по
30 мин и при 75, 77, 80 и 85 *С по 10 мин с последующим кипяче­
нием или выдерживанием под давлением. Ступенчатый нагрев
суспензии крахмала обеспечивает сглаживание резкого повыше­
ния вязкости, и она не достигает больших значений; более рав­
номерный прогрев массы; снижение количества неосахаренного
крахмала; хорошую фильтрационную способность; высокую сте­
пень последующего осахаривания. При этом достигается степень
разжижения 16—23 % при дозировке а-амилазы 0,1—0,2 % СВ
крахмала.
Использование глюкоамилаз для осахаривания разжиженного
крахмала позволяет получать гидролизаты высокой степени доб­
рокачественности (99—99,5 %). Например, импортный препарат
Глюкозим в оптимальной дозировке 0,4—0,5 % СВ обеспечивает
полный гидролиз крахмала в течение 72 ч.
10.2.
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ САХАРИСТЫХ
ПРОДУКТОВ ИЗ КРАХМАЛА
В основе технологии всех видов сахаристых продуктов из крах­
мала лежит регулируемая декстринизация (разжижение) клейстеризованного крахмала. В качестве сырья обычно используют ку­
курузный или картофельный крахмал в виде водных суспензий
концентрацией 35— 38%. Для разжижения крахмала применяют 1
препараты а-амилазы. Их вносят в начальной стадии процесса, I
поскольку клейстеризация концентрированной крахмальной сус- I
пензии возможна только при условии ее одновременного разжи- I
жения. Полная желатинизация крахмальных гранул происходит I
при температуре выше 120 °С. Поэтому при использовании препа- I
ратов а-амилазы низкой термостабильности, таких, как Амило- 1
субтилин или БАН (его аналог), процесс разжижения проводят в I
две стадии, с промежуточной термообработкой. Амилосубтилин про­
являет максимальную разжижающую способность при рН 6—6,2 в
течение 40 мин при температуре 84...86°С. Схема разжижения '
крахмала Амилосубтилином включает:
1
• разжижение 35%-й крахмальной суспензии с рН 6—6,2 в те- !
чение 40 мин при температуре 85...88вС и дозировке а-амилазы ;
0,5 ед/г крахмала;
I
• термообработку в течение 1—3 мин при 120...130 °С с после- I
дующим охлаждением до 85 °С;
*
* I
• разжижение в течение 90 мин при температуре 85 °С и дози- I
ровке фермента 0,2 ед/г крахмала.
I
Содержание редуцирующих сахаров в конце первой стадии |
составляет 10—12%, по окончании процесса — 18—20% массы I
крахмала (в пересчете на глюкозу). Продукт охлаждают до |
58...60 ’С и подкисляют до рН 4,5—4,7.
I
Применение термостабильной а-амилазы сокращает длитель- 1
ность процесса клейстеризации-разжижения и расход энергии, I
значительно упрощает аппаратурное обеспечение процесса, кото- I
рый может быть проведен в одном реакторе.
I
С помощью препаратов термостабильной а-амилазы, таких, I
как Термамил, крахмал клейстеризуют и разжижают в одну ста­
дию при непрерывном повышении температуры до 105...110 °С.
В присутствии фермента снижается верхний температурный порог
клейстеризации, поскольку структура гранул ослаблена частичным
гидролизом. При замене, препарата БАН на Термамил расход фер­
мента на единицу субстрата снижается в 3 раза. При сопоставлении I
разжижающей способности различных препаратов а-амилазы, взя­
тых в дозировке 0,1 ед/г крахмала, выявлено, что российский пре­
парат Амилолихетерм превосходит зарубежные препараты. Расход
Амилолихетерма (жидкая форма) составляет 0,45 ед/г крахмала,
что в 1,56 раза ниже, чем при разжижении Амилосубтилином.
Особенно эффективно его действие на ржаной крахмал, что связано с наличием в нем относительно высокого содержания белка
(1,3 %), который расщепляется протеазой Амилолихетерма (в ос­
тальных препаратах соотношение П С :А С существенно ниже).
|
Гидролиз белковой примеси повышает доступность крахмала дей'
ствию амилазы.
Данные изменения содержания редуцирующих веществ в про.цессе гидролиза 30%-й суспензии картофельного крахмала АмиI лолихетермом (0,45ед. амилазы/г, I = 55...105°С, т = 1,5ч) пока­
зывают, что, изменяя продолжительность процесса, можно регу­
лировать степень расщепления крахмала.
I Продолжительность гидролиза, мин
Содержание редуцирующих
веществ, % СВ
5
7
10
15
20
30
60
90
5,8
6,7
10
12,7
14,7
25,2
28,9
30,2.
I #
Технология ферментативного разжижения крахмала в различ­
ных модификациях используется для получения мальтодекстринов с РВ 5—27 %.
Мальтодекстрины. Это новый класс низкоосахаренных крах­
мальных гидролизатов с глюкозным эквивалентом (ГЭ) от 5 до
27 %, получаемых биоконверсией крахмала или крахмалосодержа­
щего сырья с последующей очисткой сиропов и их сушкой в рас­
пылительной сушилке.
Мальтодекстрины получили широкое распространение благо­
даря своим полезным свойствам, таким, как низкие сладость (ма­
лое содержание глюкозы) и гигроскопичность, высокая вязкость,
способность препятствовать кристаллизации, сохранение аромата,
стабильность при высоких температурах и химических воздей­
ствиях.
С применением мальтодекстринов с ГЭ 13—20 % в организме
человека поддерживается постоянный уровень глюкозы в крови
как у грудных детей, так и у людей пожилого возраста с ослаблен­
ной ферментной системой желудочно-кишечного тракта.
Мальтодекстрины входят в рецептуры быстрорастворимых
продуктов, специй, растворимого кофе, кондитерских и хлебобу­
лочных изделий, детского питания, молочных продуктов, соусов,
приправ, диетического питания, сухих супов, мясных и колбасных
изделий.
Мальтодекстрины с ГЭ 18—20 % вводят в рецептуры аромати­
заторов в качестве наполнителей для стандартизации вкусовых и
ароматических веществ.
Мальтодекстрины с РВ до 25 % получают по двухстадийной
схеме разжижения крахмала с промежуточной термообработкой,
используя препарат Амилосубтилин Г10Х. Мальтодекстрины со
степенью полимеризации 150—200, что соответствует степени
расщепления крахмала 5—27 %, используют как углеводный ком­
понент питания детей грудного возраста.
Сахаристые продукты с более высокой степенью расщепления
полисахаридов получают путем обработки ферментативно- или
кислотно-разжиженного крахмала амилазами экзотипа или их
комплексами с эндоамилазами.
Особое место среди мальтодекстринов занимает мальтин
(ГЭ — 5 — 8 %), имеющий среднюю молекулярную массу 69 700 и
среднюю степень полимеризации 430, обладающий свойством
образовывать термореверсивные гели, подобно жирам. Мальтин
можно использовать при производстве низкокалорийных майо­
незов вместо части яичного порошка и подсолнечного масла,
заменяя им часть сливочного масла (до 10 %) и снижая дози­
ровку сахара на 7 %; его можно вводить в состав специальных
смесей для зондового питания в качестве основного источника
углеводов.
Мальтин получают путем декстринизации картофельного или
кукурузного крахмала в одну стадию. При использовании Амилосубтилина Г10Х процесс проводят при 85 °С с последующей термо­
обработкой при 110... 115 °С. Используя Амилолихетерм (0,45 ед/г
крахмала), гелеобразующая способность которого на 30 % выше,
чем у Амилосубтилина, суспензию крахмала нагревают до 105 "С,
затем охлаждают до 95 “С. Достаточная степень гидролиза достига­
ется за 5—7 мин.
В качестве сахарозаменителя рекомендуется применять мальтозную патоку.
М а л ь т о з а — умеренно сладкий дисахарид пролонгирован­
ного действия, характеризуется специфическими физиологичес­
кими свойствами при метаболизме в организме человека, которые
не обеспечивает сахароза.
Мальтоза характеризуется высокими антисептическим эффек­
том и термостабильностью, низкими гигроскопичностью и вяз­
костью в растворе. Мальтозная патока даже с содержанием сухих
веществ 50 % отличается устойчивостью к спонтанной кристалли­
зации при обычных условиях хранения. Поэтому мальтозная пато­
ка с малым содержанием глюкозы рекомендуется для получения
твердой карамели.
Основные процессы в производстве мальтозной патоки — раз­
жижение и осахаривание крахмала.
Процесс разжижения крахмала можно осуществлять фермента­
тивным способом с применением либо бактериальной а-амилазы
по двухстадийной схеме, либо термостабильной а-амилазы по од­
ностадийной схеме.
Ферментативное осахаривание разжиженного крахмала ведется
грибной а-амилазой или бактериальной (3-амилазой.
В результате действия этих биопрепаратов полученные про­
дукты несколько различаются: р-амилаза образует много мальто­
зы и незначительное количество глюкозы, не образует мальтотриозы. Гидролизат обладает пониженной фильтрационной спо-
собностью из-за наличия повышенного количества предельных
» р-декстринов.
I
При применении грибной а-амилазы образуется больше маль, тотриозы, но увеличивается скорость фильтрования гидролизатов
I из-за меньшего количества декстринов.
| При производстве ряда сахаристых продуктов применяют глю3 коамилазу. Препараты глюкоамилазы выбирают по следующим
' признакам: степень конверсии крахмала в глюкозу, трансферазная
способность фермента (не выше 6 ед/г), наличие примеси протеаз
(не более 10 ед/г). В промышленности используют препараты,
гидролизующие крахмал с образованием 94,5—97,5% глюкозы.
Присутствие продуктов трансгликозилирования сахаров и рас­
щепления белка затрудняет очистку глюкозных сиропов и снижа­
ет выход глюкозы.
При гидролизе разжиженного крахмала Глюкаваморином
Г20Х выход глюкозы составляет 94,5%, изомальтозы — 1,2,
изомальтотриозы — 2,1 %, всего образующихся олигосахаридов
(мальтозы, мальтулозы, изомальтозы, мальтотриозы) — 5,5—6%
сухих веществ.
Состав продуктов гидролиза не зависит от исходной концен­
трации крахмала, если она не превышает 32 %. С повышением
концентрации увеличивается доля продуктов реверсии. При раз­
жижении до РВ 10—20 % последующее осахаривание дает продукт
стабильного углеводного состава, при более глубоком гидролизе
на стадии разжижения получают осахаренный продукт с понижен­
ным содержанием глюкозы.
Осахаривание разжиженного крахмала глюкоамилазой прово­
дят при рН 4,5—4,7, температуре 58...60 °С и дозировке фермента
2,5 ед/г крахмала. Полное осахаривание до содержания глюкозы
97—98 % сухих веществ происходит за 72 ч.
При сочетании глюкоамилазы с пуллуланазой продолжитель­
ность осахаривания сокращается до 48 ч, а дозировка глюкоами­
лазы уменьшается в 2 раза. Содержание глюкозы возрастает на
1,5—2 % за счет снижения доли продуктов трансгликозилирова­
ния и конденсации сахаров.
Осахаривание глюкоамилазой можно проводить в разных ре­
жимах, получая продукты с РВ от 28 % и выше. Состав олигосаха­
ридов зависит от степени конверсии крахмала. В продуктах с РВ
30—40 % присутствует значительное количество олигосахаридов
со степенью полимеризации 3—7. При РВ более 40% заметно
снижается концентрация мальтотриозы, достигая минимума при
РВ около 70 %.
Снижение концентрации мальтозы происходит в интервале РВ
66 —95 %. Содержание олигосахаридов с п > 7 достигает максиму­
ма при РВ около 50 %, с п —4—6 — при РВ менее 50 %. Продукта-
ми неполного осахаривания крахмала глюкоамилазой являются
различные виды патоки.
Н и з к о о с а х а р е н н а я п а т о к а с РВ 28—32% содержит
около 10% глюкозы, 40% олигосахаридов с п = 4—6, по 20%
мальтозы и мальтотриозы, а также олигосахариды со степенью по­
лимеризации 7 и более. Применяется при производстве карамели,
а также как углеводный компонент.
К а р а м е л ь н а я п а т о к а с РВ 40 —44% содержит 19—23 %
глюкозы, около 24 % мальтозы, 20 % мальтотриозы, не более 20 %
олигосахаридов со степенью полимеризации 4—6. Применяется
при производстве леденцовой карамели.
;
В ы с о к о м а л ь т о з н а я п а т о к а — продукт разжиженного
а-амилазой 30—35%-го крахмала. Разжиженный крахмал с РВ
12—18% осахаривают бактериальной р-амилазой, например из
В. ро1утуха, при рН 6,5—6,6, температуре 50 вС, длительности
гидролиза 48 ч, дозировка фермента 1—1,5 ед/г крахмала. В гидро­
лизате содержится 6—8 % глюкозы, 45—47 % мальтозы. Общее
содержание сбраживаемых сахаров 70—75%, Р В 4 8 —49%. При
использовании а-1,6-глюкозидазы на стадии осахаривания коли­
чество мальтозы в гидролизате повышается на 2—9 %.
Разрыв а-1,6-гликозидных связей в точках ветвления амилопекгина увеличивает количество субстрата, доступного действию
р-амилазы.
Мальтозную патоку используют вместо сахарозы при произ­
водстве леденцовой карамели и мороженого. Из мальтозной па­
токи можно получить сироп, обогащенный мальтозой (до 80 % и
более суммы сахаров). Сироп служит исходным препаратом для
выделения кристаллической мальтозы.
В ы с о к о о с а х а р е н н а я п а т о к а может содержать от 49 до
70 % РВ. При РВ 55—60 % в ней содержится 34—40 % глюкозы,
24 % мальтозы, не более 13 % мальтотриозы, незначительные ко­
личества высших олигосахаридов. Применяется при производстве
хлебобулочных, кондитерских изделий, молочных и фруктовых
консервов, столовых сиропов, пива.
Высокоосахаренную патоку получают путем кислотно-фермен­
тативного или двойного ферментативного гидролиза, применяя в
обоих случаях для осахаривания разжиженного крахмала препарат
Глюкаваморин Г20Х. Патока устойчива к кристаллизации при
концентрации глюкозы не выше 40 %. В рамках принятой техно­
логии это соответствует содержанию редуцирующих веществ не
более 58—60%, что не обеспечивает микробиологической ста­
бильности продукта. С целью повышения сладости патоки и кон­
центрации в ней сбраживаемых сахаров при условии сохранения
некристаллизуемости глюкозы изменяют соотношение форм саха­
ров в продукте за счет повышения доли мальтозы. Для этого на
1'тадии осахаривания возможно использование комплекса препа|эатов, состоящего из Амилоризина и Глюкаваморина.
к Г л ю к о з н о - м а л ь т о з н а я п а т о к а характеризуется при­
мерно равным содержанием глюкозы и мальтозы при РВ 66,8 —
170 % (табл. 10.1). Повышение содержания мальтозы по сравнению
; высокоосахаренной патокой достигается за счет действия амила. зы Амилоризина. Фермент расщепляет крахмал с образованием
I мальтозы в качестве основного продукта реакции. Как видно из
[данных таблицы, состав сахаров в патоке не зависит от способа
разжижения и содержания РВ на стадии разжижения крахмала
при значениях РВ в пределах 21,8—33,5 %. Патока характеризует­
ся высокой сбраживаемостью, некристаллизуемостью и устой­
чивостью к микробиологической порче. Ее можно применять в
составе различных пищевых продуктов.
В МГУПП разработаны условия комбинированного использо­
вания препаратов Амилосубтилина Г10Х, Глюкаваморина Г20Х и
бактериальной р-амилазы (В. ро1утуха) при гидролизе крахмала
зернового сорго, который по химическому составу и технологи­
ческим свойствам не уступает широко применяемому в настоящее
время кукурузному крахмалу, для получения паточных сиропов
различного углеводного состава и различного целевого назначе­
ния (табл. 10.2): сахарные сиропы (содержание от 20 до 70 % глю­
козы) для использования в качестве подсластителей; глюкозные
сиропы (содержание глюкозы до 98 %) для получения глюкозы и
глюкозно-фруктозных сиропов; паточные сиропы для получения
низко- и высокоосахаренной патоки; сахарные сиропы с высоким
содержанием глюкозы и мальтозы для получения десертных пи­
щевых продуктов.
10.1. Характеристика гидролизатов крахмала, полученных с использованием
препаратов Глюкаваморин и Амилоризин
Крахмал
Способ
разжижения
Кукурузный
РВ, %, на стадии
Глю­
коза, %
Маль­
тоза, %
Мальтотриоза, %
Дек­
стрин*
%
разжи­
жения
осахари­
вания
Кислотный
26,1
68,6
37,6
42
9
11,4
»
33,5
66,4
37,3
37,2
9,6
16
»
Фермента­
тивный
27,2
70
35,8
48,1
11,3
4,6
Пшеничный
То же
24
66,8
41,2
35,7
10,9
12,2
Картофель­
ный
»
21,8
68,5
39,5
40,8
8,9
10,8
* Декстрин со степенью полимеризации более 5 глюкозных единиц.
о
в
§.
■
9
я
3
и
§
оа
8.
3
во
О
2
N
10.3. ПОЛУЧЕНИЕ ГЛЮКОЗНО-ФРУКТОЗНЫХ
И ДРУГИХ СИРОПОВ, ЗАМЕНИТЕЛЕЙ САХАРОЗЫ
По данным отечественной статистики, потребность в новых
ахаристых продуктах, глюкозно-фруктозных сиропах (ГФС) сотавляет примерно 850 тыс. т/год. При этом основные потребитеи г ф с — безалкогольная, хлебопекарная и консервная промышгенности.
В основе производства ГФС лежит ферментативный гидролиз
срахмалосодержащего сырья с последующей изомеризацией глюко>ыво фруктозу с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы
ГлИ), основными источниками которой служат микроорганизмы.
В МГУПП в результате скрининга продуцентов ГлИ выделен
истивный штамм 5тгер1отусе8 а1Ьо§пзео1и5 28-3 и на его основе раз­
работана технологическая схема получения ГлИ в гомогенном со­
стоянии с температурным оптимумом 80 *С, оптимум рН — 8.
При производстве ГФС глюкозный сироп, очищенный фильт­
рацией через кизельгур, активированный уголь и ионообменные
смолы, концентрируют упариванием при 60 'С до содержания СВ
45 % (рис. 10.2). Концентрированный продукт является субстра­
том для изомеризации.
Изомеризацию глюкозы во фруктозу проводят с помощью им­
мобилизованных препаратов глюкозоизомеразы в колонных реак­
торах. Степень конверсии глюкозы зависит от скорости пропуска­
ния ее раствора через реактор, рН и температуры, концентрации
солей магния и кобальта. Используют препараты с достаточно
высокой термостабильностью, поскольку процесс изомеризации
проводят при 58...60*С во избежание инфицирования продукта.
При температуре выше 60 “С, особенно в щелочной среде, увели­
чивается количество кетосахаров за счет химической изомериза­
ции, а также темноокрашенных продуктов деградации сахаров.
Процесс изомеризации проводят при рН 7,8. Раствор глюкозы
пропускают через слой иммобилизованной глюкозоизомеразы, а
из реактора вытекает смесь фруктозы и глюкозы. Продукт после
изомеризации обрабатывают углем для деколоризации, освобож­
дают от примесей в ионообменных колонках, затем упаривают до
71%-го содержания СВ (50 % глюкозы и 42 % фруктозы). Приме­
нение иммобилизованной глюкозоизомеразы позволило сокра­
тить расход фермента в 10 раз, затраты труда в 3 раза.
В ГФ С с содержанием фруктозы 42 % в процессе хранения
кристаллизуется глюкоза. Поэтому предпочтительно вырабаты­
вать ГФС с содержанием фруктозы 55 %.
ГФС — универсальный заменитель сахарозы. Его применяют
при производстве соков, безалкогольных напитков, вина, лике-
Глюкоза Соли
Рис. 10.2. Аппаратурно-технологическая схема получения ГФ С из глюкозы:
1 — реакторы для приготовления субстрата; 2 — теплообменники; 3 — биореакторы с иммоби­
лизованной глюкозоизомеразой; 4 — реактор глюкозно-фруктозного раствора с системой ре­
гулирования рН; 5 — установка для деколоризации углем; 6 — сборник раствора; 7— фильтр;
8 — сборники; 9 — ионообменные колонки; 10 — вакуум-выпарная установка; 11 — сбор­
ник ГФС
ров, хлебобулочных изделий, фруктовых и молочных консервов,
мороженого.
{
Зерновой сироп. Сахаристые продукты могут быть получены
непосредственно из зернового сырья, минуя стадию получения
чистого крахмала. В качестве сырья пригодны кукуруза, пшеница,
ячмень, сорго и рожь. При получении сиропа из ржи зерно из­
мельчают, затем проводят операции клейстеризации-разжижения
и осахаривания, гидролизат фильтруют и концентрируют, получая
зерновой сироп. Твердую фракцию, отделенную на стадии фильт­
рации гидролизата, используют как белковый корм.
При получении зернового сиропа применяют ферментные пре­
параты с амилолитической и целлюлолитической активностями.
Состав получаемых сиропов с преобладанием мальтозы или с
примерно равными концентрациями мальтозы и глюкозы зависит
от состава используемого ферментативного комплекса. Во втором
случае сироп не кристаллизуется при хранении (аналог глюкозномальтозной патоки). Пищевая ценность зернового сиропа повы­
шается за счет биологически активных веществ ржи. Зерновой си­
роп используют как сахарозаменитель; а также как пищевую до-
‘равку при производстве заварных сортов черного хлеба, особых
| ароматических сортов пива и продуктов детского питания.
Фруктозный сироп из инулинсодержащего сырья. Наиболее про1 1уктивный вид растений, синтезирующих инулин, — топинамбур,
з свежих клубнях которого содержание инулина составляет 18—
25 %, в сухой массе — около 80 %. Для получения фруктозного си­
ропа можно использовать как очищенный инулин, так и экстракт
клубней, содержащий кроме инулина низкомолекулярные полифруктозаны, поэтому выход фруктозы из экстракта выше, чем из
чистого инулина.
Инулин экстрагируют водой, подкисленной до рН 5,5, добав­
ляя ее к измельченному сырью в соотношении 1:1—1:1,5. Про­
должительность экстракции 30 мин при температуре 70...75°С.
Для предотвращения потемнения экстракта в него вводят 0,1 %
сернистого газа. В экстракте доводят рН до изоэлектрической точ­
ки белка и удаляют осадок центрифугированием. Полученный
раствор, содержащий 10—12 % инулина и родственных сахаридов,
обесцвечивают активированным углем и используют для получе­
ния фруктозных сиропов.
Источником ферментного препарата инулиназы служат иммо­
билизованные клетки дрожжей К1иу\еготусе$ тагхгапиз. Реакцию
проводят при рН 4,5 и температуре 50 °С в колонке, заполненной
ферментным препаратом, со скоростью 0,4 ч-1. Раствор сахаров,
выходящий из колонки, обессоливают поочередно катионитом и
анионитом, обесцвечивают активированным углем и концентри­
руют под вакуумом до 71%-го содержания СВ. В полученном си­
ропе содержание фруктозы составляет 75 % СВ.
Сиропы гцдролизованной лактозы (СГЛ). Их используют при
производстве хлебобулочных изделий, пива, безалкогольных на­
питков и молочных продуктов взамен сахарозы.
Сырьем для получения СГЛ являются фильтраты подсырной и
творожной сыворотки. Ферментативный гидролиз лактозы до
глюкозы и галактозы повышает сладость, усваиваемость и раство­
римость продукта, что позволяет получать стабильные концентри­
рованные сиропы.
Разработана технология, согласно которой расщепление лакто­
зы с помощью иммобилизованного препарата р-галактозидазы
проводят в проточном реакторе при рН 4 и температуре 40 °С.
Удельная эффективность процесса составляет около 1 г лактозы
на 1г ферментного препарата в 1 ч. Степень конверсии субстрата
70 —80%. Гидролизат концентрируют, деминерализуют и сгуща­
ют. СГЛ имеет следующий состав, %: сухие вещества — 58—62, в
том числе глюкоза — 19,4—22, лактоза — 11—12,8, азотистые ве­
щества — 0,8—1,5, зольные элементы — 1—4. Титруемая кислот­
ность Ю0...500вТ.
Контрольные вопросы
1. Какие виды сахаристых продуктов получают из крахмалосодержащего сырья? В
2. Каковы основные стадии получения сахаристых веществ из крахмалосодержа- В
щего сырья и крахмала? 3. Какие ферментные препараты используют на стадии В
разжижения крахмала? 4. Что характеризует глюкозный эквивалент (ГЭ)? 5. Како-В
вы основные свойства нового класса гидролизатов: мальтодекстринов и мальтинов? В
6. Что представляют собой мальтозная и высокомальтозная патока? 7. Какие саха- 1
ристые продукты получают при ферментативном гидролизе крахмала зернового В
сорго? 8. Как получить сахарные сиропы (глюкозные, глюкозно-фруктозные и па- 1
точные)? 9. Какова потребность в России в глюкозно-фруктозных сиропах и что В
положено в основу их производства? 10. Какова технология получения зернового В
фруктозного сиропа и сиропа гидролизованной лактозы, как их используют?
В
Г л а в а 11
I
ФЕРМ ЕНТАТИВНЫ Е МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПИЩЕВЫХ
I
ПРОДУКТОВ
I
11.1. ФЕРМЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ
I
На основе фундаментальных научных исследований биотехнологических систем, протекающих в них процессов метаболизма и
участвующих в них соединений созданы искусственные ферментные системы для анализа субстратов. Они нашли практическое
применение в области оценки качества продуктов питания, пищевого сырья и биологических материалов. В настоящее время различают следующие группы ферментативных методов.
1. Анализ активностей ферментов. Эти методы используют при
изучении механизмов регуляции ферментативных активностей в
растительных и животных материалах, биотехнологических про­
цессах с целью разработки способов их интенсификации, а также
для создания новых технологических процессов переработки сырья.
2. Анализ субстратов с использованием ферментов в качестве ре­
агентов. К этой группе методов относится ферментативный анализ
на основе оксидазных и дегидрогеназных систем, а также комбинированный ферментативный анализ. Эти методы используют в
оценке качества продуктов питания и пищевого сырья.
3. Ферментативный анализ на основе ингибирующего эффекта.
Этот анализ проводят для определения остаточных количеств за­
грязнителей (например, пестицидов, тяжелых металлов и т. п.) в
продуктах питания и пищевом сырье.
4. Иммуноферментативный анализ. Его применяют в различных
областях, в том числе и для оценки качества при определении
ряда специфичных компонентов в биологических материалах.
I
I
I
I
I
I
I
I
I
!
,
Фермент
Альлегиддегидрогеназа
О-Малатдегидрогеназа
Ь-Малатдегидрогеназа
Глутаматоксалоацетатгрансаминаза
Формиатдегидрогеназа
Глугаматдегидрогеназа
Сукцинил-КоА-синтетаза
Пируваткиназа
Ь-Лактатдегидрогеназа
О-Лактатдегидрогеназа
Цитратлиаза
Ацетил-КоА-синтетаза
Цшратсинтаза
Алкогольдегидрогеназа
Глкжонаткиназа
6-Фосфоглюконатдегидрогеназа
Гексокиназа
Глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа
Фосфоглюкозоизомераза
Глицеролкиназа
Уреаза
И зо цитратдегидрогеназа
Р-Галактозидаза
Глюкозооксидаза
а-Глюкозидаза
р-Фруктозидаза (инвертаза)
Глугаматпируваттрансаминаза
Нитратредуктаза
Океалатдекарбоксилаза
Амилоглюкозидаза
Сульфитоксидаза
NАОН -пероксидаза
Липаза
Эстераза
Полигалактуроназа
Пектинэсгераза
Глюкуронлактонредуктаза
Вспомогательное
соединение
N А^ , NА^Р+
NА^Н, ИАОРН
Кофермент А (КоА)
Эффектор
Ь-Глутамат
2-Оксоглутарат
Инозин-5 '-трифосфат
(ИТФ)
Фосфоенолпируват
АТФ
Хлорид магния
Сульфат магния
Сульфат марганца
Флавинадениндинуклеотид (ФАД)
Хлорид лития
5.
Анализ на основе метода РСК (полимеразной цепной реакции) и
его модификаций. Его проводят при исследовании генетически из­
мененных организмов, патогенных микроорганизмов, сырья или
Аскорбатоксидаза
Холестеролоке и даза
Каталаза
Глутаматдегидрогеназа
Диафораза
3-Гидроксибути ратдегидрогеназа
Нитратредукгаза
Сорбитдегндрогеназа
Феназин
3-(4,5-диметилдиазол-2-ил)-2,5
дифенил -2Н -тетразолийбромид
3,5-диацетил-1.4-лигилппл\лги-
дин
[имеркаптобутан
диол
л-Иодонитротетразолий
товый
Ацетилацетон
Метанол
Этилендиаминтетрауксусная кислота
(ЭДТА)
Сульфаниламин
л-( 1-нафтил)-этилендиамм оний-дихлорид
Компоненты ферментной системы для анализа пищевых
ос-Амилаза
Протеаза
Амилоглюкозидаза
Гравиметрическое измерение продуктов
реакции
тт#ика1шиПИТаНИЯ' содержащих эти организмы, с целью их иденВ настоящей главе рассмотрены методы второй ш т ат ы т ей*
™™ 1 ,этои облас™ Разработаны и широко иеполь^ о ш н Х е 7 1 Й Е Г " " “ систен: ®щцрогеназные, комбиЖ “
и зГ
е я т анализа пищевых волокон
■
щ
г
д
а
ш
и
х
в
с
о
с
т
а
в
11.2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФЕРМЕНТАТИВНОГО
АНАЛИЗА
анализ субстратов представляет собой метол с
использованием в качестве реактивов ферментоТкота3
сп п гТ
М, п , е р м е н т а т а в н ы й
сН™
^ ° Г = ? " , Г Л0ВИЯХ г,р1обРазовь,вать отдельные веще( убстраты) с высокой специфичностью в продукты пеяк^пмм
Субстраты, с которыми взаимодействуют ферменТьГ^тносятся к
соединениям природного происхождения (например сахара оога
нические кислоты и их соли, спирты и др.) Лству^ш им к г ,™ .'
цессах метаболизма живой клетки. Таким образом методологи
ческую основу ферментативного анализа составляет поиполны*
♦иохимические механизмы процесса обмена веществ, отдельные
, реакции которого воспроизводятся с большой точностью в искус:твенных условиях с целью количественного определения суб­
стратов в монопродуктах или продуктах со сложным составом.
Для проявления высокоспецифичных свойств ферментов и полу­
чения достоверного результата условия воспроизведения реакции
максимально приближены к физиологическим условиям, сущест­
вующим в живой клетке. В ходе ферментативной реакции должно
быть достигнуто полное количественное преобразование исследу­
емого субстрата.
Специфичность, т. е. избирательность действия ферментов,
обеспечивает достоверность результата ферментативной реакции,
протекающей в искусственных условиях, поскольку он не зави­
сит от влияния соединений, которые имеют сходное с анализиру­
емым компонентом строение и входят с ним в матрицу исследуе­
мой пробы.
Ход ферментативной реакции и ее ответ на внесение в систему
субстрата контролируют с помощью физических методов путем
измерения изменений качественного и количественного состава
вспомогательных соединений или процессов.
В дегидрогеназных ферментных системах в качестве вспомо­
гательных соединений используют окисленные или восстанов­
ленные формы коферментов КАО+/К А ВН , НАОР+/ЧЧАВРН.
Эти коферменты участвуют в системе в качестве переносчиков во­
дорода.
Количество окисленных коферментов N А ^Н или N А ^РН стехиометрически соотносится с количеством анализируемого соеди­
нения (рис. 11.1).
Изменение формы коферментов контролируют спектрофото­
метрическим измерением оптической плотности — экстинкции —
системы при 334, 340 или 365 нм. В интервале длин волн от 334 до
365 нм (оптимум 340) восстановленная форма N А ^Н или ЫАОРН
проявляет максимальное поглощение (рис. 11.2).
соон
I
+
+ с = о +н
I
сн,
I
к
действия N ^ ^ 1 в дегидрогеназной ферментативной реакцм
•ния Обмолочной кислоты Ш-ЛДГ - 6-лактатдегидрогеназа)
Рис. 11.2. Спектры поглощения
N А ^Р ( / ) и N А ^РН (2)
■
Конечный результат
ментативной реакции рассчи­ яя
тывают на основании закона \
280
320
360
400
Ламберта—
Бера
из
полученных
Длина волны, нм
значений оптической плотно­
сти восстановленной дегидрогеназной ферментной системы в начале и конце реакции.
В отдельных системах, например в определении сульфита, в ка­
честве первичного фермента наряду с дегидрогеназами использу­
ют оксидазы. В ходе окислительной реакции происходит перенос
водорода от субстрата к кислороду с образованием пероксида во­
дорода. Последний может быть преобразован двумя различными
способами с помощью фермента пероксидазы или с помощью
фермента N АО Н-пероксидазы и КАГ)Н.
В комбинированных ферментных системах (КФС) определение
субстратов также основано на использовании специфичного дей­
ствия ферментов. Однако результат определения рассчитывают,
исходя из интенсивности окрашивания системы, измерение кото­
рой проводят фотометрическим способом в видимой области
спектра. В качестве вспомогательных соединений в КФС участву­
ют акцепторы электронов.
,
( =
В ферментной системе в качестве суммарного определения
пищевых волокон проводят предварительный гидролиз пробы с
помощью гидролаз — а-амилазы, протеазы, глюкоамилазы. Про­
дукты реакции после промежуточных стадий очистки и концен­
трирования определяют гравиметрическим способом.
11.3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ФЕРМЕНТАТИВНОГО
АНАЛИЗА
>ерментативныи анализ как неотъемлемая часть всего аналиского потенциала, используемого при оценке и контроле кава пищевого сырья и продуктов питания, получил мировое
!нание по следующим причинам:
сырье и пища представляют собой продукты биологического
происхождения, состоящие из соединений, образованных при
протекании реакций процесса обмена веществ, катализируемых
ферментами:
*
*
• ферменты как биологические катализаторы вступают в спеифическое взаимодействие с различными соединениями;
Щ • ферментативный анализ превосходит методы химического и
В эизико-химического анализа по степени достоверности,
ш Основные требования к методам анализа, используемым в
>ценке качества продуктов питания и пищевого сырья, могут быть
■^формулированы следующим образом:
Ц • в основе метода должна быть специфичность определения
В -юкомого вещества, что определяет его достоверность;
В
• подготовка пробы к определению должна быть простой и иср <лючающей потери искомого соединения или модификацию его
I структуры;
I
• схема определения и методика его выполнения должны быть
I простыми;
I
• результаты определения веществ должны быть достоверныЕ ми, что подтверждает надежность метода;
§
• метод должен обладать достаточной чувствительностью для
I определения низких концентраций веществ;
1
• влияние матрицы пробы на механизм реакции, лежащей в ос1 нове метода, должно отсутствовать или быть минимальным;
I
• затраты времени на проведение анализа должны быть миниI мальными, поскольку оценка качества продукции часто входит в
[ производственный контроль;
I
• внедрение и использование метода должно быть экономичесII! ки оправдано;
• метод должен обладать предпосылками для его дальнейшей
механизации или автоматизации;
• реактивы, используемые в определении, должны быть без! опасными и легко утилизируемыми.
Методы ферментативного анализа по многим позициям отве­
чают этим требованиям. В ферментативном анализе искомое со­
единение, как правило, не выделяют из матрицы пробы, посколь­
ку ферменты реагируют только с теми веществами, к которым они
проявляют специфичность. Недостатком ферментативных мето­
дов является невозможность получения широкого спектра соеди­
нений в ходе одного определения (до трех соединений).
Количественное определение соединений с помощью фермен­
тов используется в промышленности в системах производственно­
го контроля и обеспечения качества готовой пищевой продукции
и в определении изменений ее состава в процессе хранения
(табл. 11.4).
Ошибка ферментативных методов составляет 0,5 —2,5 %.
Ферментативный анализ, наряду с традиционными аналити­
ческими методами, широко используют при определении качества
напитков, их идентичности.
Ц
входящих в состав продуктов питания, фермеитатп
ными методами
Группа
продуктов
ние, диетические продукты
Пиво, вино,
напитки
Хлеб, хлебобу­
лочные и кон­
дитерские из­
делия, шоко­
лад, мороженое
Определяемое
_______ соединение
О-Глюкоза
О-Фруктоза
Лактоза
Мальтоза
Крахмал
Ь-Аскорбиновая кис­
лота
Лимонная кислота
Ь-Глутаминовая кис­
лота
О-, Ь-Молочные кис­
лоты
О-Сорбит
Ксилит
Янтарная кислота
Сахароза
О-Глюкоза
Э-Фруктоза
Гидролизаты крахмала
Глюкозный сироп
(патока)
Этанол
Глицерин
О-Сорбит
Сульфит (сернистая
кислота)
Нитраты (нитриты)
О-, Ь-Молочные кис­
лоты
О-Глюконовая кислота
Уксусная кислота
Янтарная кислота
Ь-Аскорбиновая кис­
лота
О-, Ь-Яблочные кис­
лоты
Аммиак
Сахароза
О-Глюкоза
О-Фруктоза
Мальтоза
Лактоза
Цель определения
производственный контроль
Системы обеспечения качества
Контроль качества готовой продук
ции
Контроль качества сырья
Оценка качества
Анализ состава с целью установле­
ния пищевых свойств и их соответ­
ствия НД
Оценка гигиенического статуса
Мониторинг качества
Выявление нежелательных компо­
нентов (например, О-молочной
кислоты)
1производственный контроль
Системы обеспечения качества
Контроль качества готовой прод
ции
Контроль качества сырья
Оценка качества
Анализ состава с целью устанош
ния пищевых свойств и их соот­
ветствия НД
Оценка гигиенического статуса
Мониторинг качества
Установление фальсификации
Определение доли натурального
сырья (во фруктовых стопах^
Производственный контроль
Системы обеспечения качества
Контроль качества готовой про,
ции
Контроль качества сырья
Продолжение
Соки, нектары,
сокосодержа­
щие напитки,
продукты пере­
работки фрук­
тов и овощей,
безалкоголь­
ные напитки
(например, ли­
монады)
Пищеконцентраты (напри­
мер, супы)
Определяемое
соединение
Цель определения
Крахмал
Этанол
Глицерин
О-Сорбит
Ксилит
Холестерин
Триглицериды (жиры)
Оценка качества
Анализ состава с целью установле­
ния пищевых свойств и их соответ­
ствия НД
Оценка гигиенического статуса
Мониторинг качества
Установление фальсификации
Определение молочной доли в про­
дуктах
Сахароза
О-Глюкоза
О-Фруктоза
О-Изолимонная кис­
лота
Ь-Аскорбиновая кис­
лота
Э-, Ь-Молочные кис­
лоты
Этанол
Уксусная кислота
Сульфит (сернистая
кислота)
Глюкозный сироп
(патока)
Крахмал
Э-, Ь-Яблочные кис­
лоты
Муравьиная кислота
Янтарная кислота
Ь-Глутаминовая кис­
лота
О-Глюконовая кислота
Щавелевая кислота
Глицерин
О-Сорбит
Нитраты (нитриты)
Ь-Глутаминовая
кислота
Сахароза
Крахмал
О-Глюкоза
О-Галактоза
Производственный контроль
Системы обеспечения качества
Контроль качества готовой продук­
ции
Контроль качества сырья
Оценка качества
Анализ состава с целью установле­
ния пищевых свойств и их соответ
ствия НД
Оценка гигиенического статуса
Мониторинг качества
Установление фальсификации
Определение аутентичности (под­
линности)
Определение доли натурального
сока (в нектарах и напитках)
Производственный контроль
Системы обеспечения качества
Контроль качества готовой продук­
ции
Контроль качества сырья
Оценка качества
Продолжены
Группа
продуктов
Определяемое
соединение
Гидролизаты крахмала
Триглицериды (жиры)
Сахар и сахаросодержащие
изделия
Сахароза
Раффиноза
Э-Глюкоза
Э-Галактоза
Муравьиная кислота
Э-, Ь-Молочные кис­
лоты
О-Сорбит
Этанол
Цель определения
Анализ состава с целью установления пищевых свойств и их соответ­
ствия НД
Оценка гигиенического статуса
Мониторинг качества
Производственный контроль
Системы обеспечения качества
Контроль качества готовой продук­
ции
Контроль качества сырья
Оценка качества
Анализ состава с целью установлеия пищевых свойств и их соответ­
ствия НД
Оценка гигиенического статуса
Мониторинг качества
Установление фальсификации
Определение аутентичности (под­
линности)
Установление различий между
тростниковым и свекловичным
сахаром
О
натуральности вин и сусел можно судить на основании ан
лиза сахаров (сахарозы, О-глюкозы, О-фруктозы), органических
КИСЛОТ (р~ и Ь-яблочной, лимонной, Б- и Ь-молочной, уксусной,
янтарной, муравьиной, О-глюконовой, Ь-аскорбиновой), а также
этанола, глицерина, ацетальдегида и некоторых органических
компонентов. П о результатам анализов может быть установлен
факт фальсификации вина путем добавления спирта, инвертных
сахарных сиропов, сахарозы, Г Ф С . Состав продуктов брожения и
их соотношение характеризуют процесс брожения, участие в нем
определенных видов микроорганизмов. Так, при развитии молоч­
нокислых бактерий в вине накапливаются пропанол и Э-молочная
кислота, что ухудшает органолептические свойства. Янтарная кис­
лота в концентрации выше 1 г/дм3 появляется при участии в бро­
жении посторонних рас дрожжей. Повышенная концентрация
Э-сорбита в вине свидетельствует о купажировании виноградных
вин с плодово-ягодными винами или соками и т. д.
Гидролитические ферменты используют для определения со ­
держания пищевых волокон в продуктах питания. Пищевые во­
локна — это комплекс биополимеров: целлюлозы, гемицеллюлоз,
ектиновых веществ и лигнина. Чтобы определить содержание
ишевых волокон в продукте, нужно удалить из него жиры, белки,
рахмал и определить зольность. Высушенный пищевой продукт
Обезжиривают петролейным эфиром, вновь высушивают и из1ельчают. Далее следует постадийный ферментативный гидролиз:
• проводят клейстеризацию-разжижение крахмала при рН 6 и
емпературе 90 °С с помощью термостабильной а-амилазы;
гидролизуют белок нейтральной протеазой при рН 7,5 и темтературе 60 °С;
завершают гидролиз крахмала с помощью глюкоамилазы при
зН 4,5 и температуре 60 “С.
Продолжительность каждой стадии 30 мин. По окончании гид­
ролиза пищевые волокна осаждают этанолом. Сформировавшийся
осадок отделяют фильтрацией и промывают на фильтре этанолом
и ацетоном для удаления продуктов гидролиза, затем высушивают
и взвешивают. Массовую долю пищевых волокон рассчитывают с
учетом поправки на зольность осадка и наличие негидролизован„пгп белка. Метод имеет высокую точность. Получаемые резульхимических
удалять
нужные
анализу
тоды определения ферментативной активности в
технологических процессах и продуктах.
Применение ферментативных методов анализа
технологии будет расширяться, поскольку эти ^
точны, легко автоматизируются
ферментных препаратов.
опасных реактивов
Контрольные вопросы
1 Какие типы ферментных систем используют для анализа субстратов, входя­
щих ;
питания и пищевого сырья? 2. Какие требования предаш§
1
используемым в оценке качества продуктов ™ танияи
пищевого сырья7 3 Какие соединения и с какой целью определяют в продуктах
д и к ог о и диетического питания? 4. Какие соединения определяют в напитках,
пиве вине ферментативными методами? 5. Какие соединения, выявляемые в со
ках, нектарах, продуктах переработки фруктов и овощей, определяют ферментативными методами?
Ч а с т ь III
ПИЩЕВЫЕ ДОБАВКИ И БИОТЕХНОЛОГИИ
ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
Питание — это фундаментальный биологический процесс, со­
ставляющий основу жизнедеятельности всех живых организмов,
который постоянно изучается и теоретически обосновывается.
В последние десятилетия создана новая теория адекватного пи­
тания. Выяснена важная роль биополимеров, ранее именуемых
балластными, а в последние годы названных пищевыми волокна­
ми, которые выполняют не только пищеварительные, но и лечебно-профилактические функции. Создаются новые искусственные
формы пищи, аналоги традиционных продуктов питания.
Во всем мире растет производство новых продуктов питания,
в том числе пищевых добавок — природных или синтетических
соединений для ввода в рецептуры пищевых продуктов с целью
повышения их питательной ценности, изменения органолепти­
ческих характеристик, удлинения сроков хранения, усиления их
лечебно-профилактических свойств.
В высокоразвитых странах развиваются особые отрасли про­
мышленности, специализирующиеся на выпуске пищевых ин­
гредиентов с диетическими, профилактическими и лечебными
свойствами. С каждым годом расширяется производство низкока­
лорийных продуктов питания.
В настоящее время все большее количество фирм Европы и
СШ А занимаются производством ингредиентов для пищевых
продуктов, в том числе пищевых волокон, вкусовых обогатите­
лей и красителей, смесей липидов с белком, белковых концентра­
тов и изолятов, вкусовых добавок с пониженным содержанием
липидов и др.
Во всем мире только в производстве ароматизаторов и душисгых веществ участвует около 1000 компаний.
В направлении производства вкусоароматических добавок, ко­
торые в настоящее время используются во всех отраслях пищевой
промышленности, лидируют СШ А, на долю которых приходится
более 50 % такой продукции, производимой в мире; на страны Ев­
ропы — 30, на все остальные, в том числе Японию и Россию, —
20 %. По предположению специалистов рост темпов использова­
ния только новых вкусовых ингредиентов в период 2000 — 2010 го­
дов составит не менее 12—15 %.
Для пищ евой промышленности разрабатываются новые техно­
логии, включающие системы биоконсервирования и использова­
ние натуральных консервантов, создание пищевых продуктов с за­
данными функциональными свойствами.
В России также занимаются решением проблем совершенство­
вания ассортимента пищевых и биологически активных добавок,
созданием новых технологий диетической продукции, школьного
питания.
Государственной научно-технической программой России
«Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК»
предусмотрено создание продуктов лечебно-профилактического и
общего назначения: хлебобулочных и макаронных изделий, кон­
сервов, пищевых концентратов, напитков, сыров и других продук­
тов с регулируемым составом белков, жирных кислот, пищевых
волокон, углеводов, биологически активных добавок на базе но­
вых процессов и машин, обеспечивающих комплексную перера­
ботку вторичных ресурсов растительного сырья на предприятиях
малой мощности.
Развитие работ по получению новых видов пищи, пищевых и
биологически активных добавок обусловлено рядом причин:
• загрязнением воды, воздуха, почвы, а следовательно, и пищи
избыточным количеством минеральных и органических вредных
веществ, среди которых радионуклиды, пестициды, соли тяжелых
металлов, нитраты и многие другие. Попадая в организм человека
вместе с пищей, они способны вызывать развитие целого ряда за­
болеваний;
• непрекращающимся ростом численности населения; расту­
щие потребности человека в пище усугубляют проблему нехватки
белка, пищевых волокон, витаминов, что вызывает необходимость
поиска их новых источников;
• необходимостью рационального использования отходов пи­
щевой промышленности, которые составляют до 20 % сырья,
• возможностью разработки технологий пищевых добавок на
основе фракционирования вторичных продуктов переработки
растительного сырья, позволяющих получить значительное коли-
чество сбалансированных продуктов питания для улучшения здо­
ровья населения.
Обязательное условие производства и использования новых ви­
дов пищи — отсутствие отрицательного действия на организм че­
ловека. Это определяется законами о качестве пищи и контроле ее
производства.
Из теории адекватного питания следует, что
• ежедневная пища обеспечивает поддержание молекулярного со­
става и возмещения энергетических и пластических расходов организ­
ма человека, идущих на основной обмен, внешнюю работу и рост;
• нормальное питание обусловлено несколькими потоками пи­
щевых и регуляторных веществ, имеющих жизненное значение;
• не только пищевые, но и балластные вещества являются не­
обходимыми компонентами пищи;
• существует взаимодействие организма хозяина и его микро­
флоры, которое обосновывается эндоэкологией человека;
• баланс пищевых веществ достигается за счет их освобождения
из структур пищи при ферментативном расщеплении ее макромо­
лекул в результате мембранного и внутриклеточного пищеваре­
ния, за счет синтеза новых веществ.
На основании этих положений определена необходимость соз­
дания добавок пищевых и биологически активных веществ, кото­
рые улучшают состав ежедневного рациона питания человека,
восполняют недостаток отдельных веществ, прежде всего различ­
ных витаминов, белков и ряда незаменимых аминокислот, пище­
вых волокон, ряда микроэлементов.
Пищевые добавки — это разрешенные к применению Роспотребнадзором химические вещества и природные соединения,
обычно не употребляемые в качестве пищевого продукта или
обычного компонента пищи, но которые преднамеренно добав­
ляют в пищевой продукт по технологическим соображениям на
различных этапах производства, хранения и транспортировки с
целью облегчения или улучшения производственного процесса
или отдельных операций, увеличения стойкости продукта к раз­
личным видам порчи, сохранения структуры и внешнего вида
продукта или намеренного изменения его органолептических
свойств. Закон «О качестве и безопасности пищевых продуктов» и
СанПиН 2.3.2.560—96 дают следующее определение: «Пищевые до­
бавки — природные или искусственные (синтезированные) веще­
ства, специально вводимые в пищевые продукты в процессе их из­
готовления в целях придания пищевым продуктам определенных
свойств и (или) сохранения качества пищевых продуктов».
Европейским советом была разработана и апробирована в
странах Европейского сообщества региональная система цифро­
вой кодификации пищевых добавок с литерой «Е». Эта система с
незначительными изменениями включена в кодекс ФАО/ВОЗ для
пишевых продуктов (Соёех АНтеп1апш. ЕЙ.2.У.1) как междуна­
родная цифровая система (1п1ета1юпа1 ЫитЬеппе 8уз1ет) коди­
фикации пищевых добавок и рекомендована для использования.
Согласно этой системе каждой пищевой добавке присвоен циф­
ровой трех- или четырехзначный код (в Европе с предшествую­
щей литерой «Е»). Коды или идентифицированные номера ис­
пользуются только в сочетании с названиями функциональных
классов, отражающих группировку пищевых добавок по техноло­
гическим функциям (подклассам).
В мире вопросами применения пищевых добавок занимается
специализированная международная организация — Объединенный
комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам и контаминантам (загрязнителям) 1ЕСРА, который является совещательным ор­
ганом Комиссии по Содех АШпетагшз — межправительственного
органа, включающего более 120 государств-членов. В рамках Ев­
ропейского сообщества действует аналогичная комиссия, а в Рос­
сии решением вопросов о применении пищевых добавок зани­
мается Роспотребнадзор.
Пищевые добавки человек использует много веков, но с конца
XIX в. их применение активизировалось. Первыми пищевыми до­
бавками были соль, сахар и специи.
В настоящее время общее число пищевых добавок, применяе­
мых в производстве продуктов питания в мировом масштабе,
составляет около 544 наименований (не считая комбинирован­
ных добавок, индивидуальных душистых веществ, ароматизаторов).
В .1ЕСРА зарегистрировано и в Европейском сообществе кодифи­
цировано 296 пищевых добавок.
Список пищевых добавок (ПД), разрешенных к применению в
пищевой промышленности РФ, представленный в дополнениях к
«Медико-биологическим требованиям и санитарным нормам ка­
чества продовольственного сырья и пищевых продуктов» (Москва,
1994 г.) включает:
1) ПД, снижающие энергетическую ценность пищи (пищевые волок­
на, микрокристаллическая целлюлоза, пектиновые вещества и т. п.),
2) ПД, улучшающие внешний вид, вкус, запах, цвет (усилители
вкуса и аромата, подслащивающие вещества, отбеливающие веще­
ства, красители и т. п.);
3) ПД, улучшающие консистенцию пищи (загустители, поверхностно-активные вещества, стабилизаторы и т. п.); ___
4) ПД, удлиняющие сроки хранения пищи (консерванты, анти­
окислители);
V.
5) радиопротекторы и энтеросорбенты экологически вредных
веществ (пектиновые вещества, хитин и хитозан, лигнин, полисорб и т. п.);
6) БАД, повышающие питательную ценность пищи (концен­
траты и изоляты белка, аминокислоты, витамины, микроэлемен­
ты и др.);
Ч /»♦ яшй г1 гшпг|Г1
■■'**&,
7) лечебно-профилактические добавки.
Первые четыре группы ПД используются в технологических
целях, а составные части этих ПД не обладают биологической ак­
тивностью.
.н
Добавки, объединенные в 6-ю и 7-ю группы, могут быть от­
несены к биологически активным добавкам (БАД). Так, БАД,
отнесенные к 6-й группе, являются нутрицевтиками, а лечебно­
профилактические добавки, согласно последней классификации,
разделяются на пробиотики и парафармацевтики.
§
Промежуточное положение между ПД и БАД занимают радио­
протекторы и энтеросорбенты, объединенные в 5-ю группу.
Биологически активные добавки к пище — композиции натураль­
ных или идентичных натуральным биологически активных ве­
ществ, предназначенных для непосредственного приема с пищей
или введения в состав пищевых продуктов с целью обогащения
рациона отдельными пищевыми или биологически активными ве­
ществами и их комплексами.
Таким образом, к числу БАД к пище (Роос! зирр1етеп15) отно­
сятся природные, идентичные природным или синтетические ве­
щества, либо характеризующиеся наличием пищевой ценности
(нутрицевтики), либо обладающие выраженной биологической
активностью (парафармацевтики), а также БАД, обеспечивающие
поддержание нормального состава и функциональной активности
микрофлоры (эубиотики).
Нутрицевтики БАД к пище, применяемые для коррекции хи­
мического состава пищи (дополнительные источники нутриентов:
белка, аминокислот, жиров, углеводов, витаминов, минеральных
веществ, пищевых волокон).
Эубиотики (пробиотики) — БАД к пище, в состав которых вхо­
дят живые микроорганизмы и (или) их метаболиты, оказывающие
нормализующее действие на состав и биологическую активность
микрофлоры пищеварительного тракта.
Ведутся исследования по созданию не только моно-, но и полипищевых добавок — комплексных продуктов питания.
Производство комплексных продуктов питания (КПП) раздля
чения:
гентов, входящих
соотадекватного пита
профилактического действия
к
*
Г л а в а 12
ПИЩЕВЫЕ ВОЛОКНА
Долгое время вещества, которые сейчас называются пищевыми
волокнами, считались балластом, не представляющим никакой
ценности для человека. Теория адекватного питания, разработан­
ная российским физиологом А. М.Угоревым в 80-е годы XX в.,
указала на важную роль балластных веществ в процессах пищева­
рения и обмена веществ в целом, их влияния на рост и развитие
нормальной кишечной микрофлоры.
Пищевые волокна ( ПВ). Это основные биополимеры однолетних
и многолетних растений, трав, стеблей злаков и древесины и обя­
зательная составная часть продуктов переработки пищевого сырья:
зерна, овощей, фруктов, ягод — повседневной пищи человека.
Пищевые волокна (диетические, растительные, грубые, сырые
волокна, балластные вещества) — комплекс биополимеров, вклю­
чающий полисахариды, олигосахариды, а также лигнин, формиру­
ющие клеточные стенки растений и ассоциированные раститель­
ные вещества, устойчивые к перевариванию в тонком кишечнике
человека, полностью или частично ферментируемые в толстом ки­
шечнике (рис. 12.1).
Совершенствование технологии пищевых продуктов ведет к
очищению от П В, а следовательно, к уменьшению количества их в
ежедневных рационах питания.
Как следствие, в конце X X в. в мире получили развитие ряд за­
болеваний, названных «болезнями века»: колиты, запоры, дивертикулез, диабет, атеросклероз, рак прямой кишки и др.
П И Щ Е В Ы Е ВОЛ ОК Н А
Лигнин
полисахариды
Целлюлоза
Г емицеллюлозы
Камеди
Полисахариды
запаса (типа
инулина, гуара и др.)
Рис. 12.1. Классификационная схема пишевых волокон
снизилась сопротивляемость организма 1
алогически вредных веществ. Получили
гипокинезия
Длительное уменьшение мышечной деятельности человека
обусловленное снижением активности его движения, привело к
ухудшению моторной деятельности кишечника. Уменьшение сог о * оцесса ВПр0дуктах питания способствует усугублению этонимыс И нерастворимые пищевые волокна влияют на
функции пищеварительного тракта разными путями В желу2 ° ™ ; Кишечном тРакте отсутствуют ферменты, расщепляющие
волокна, поэтому последние достигают толстого кишечника в не­
измененном виде. Содержащиеся здесь бактерии обладают фер­
ментами, способными метаболизировать некоторые волокна в пейрастворимые-и пол^атъ энергию Ьля размножени и
строительства новых клеток.
Нерастворимые пищевые волокна, которые не подвергаются
~
Ю ферМСНТОВ бактеРий>Удерживают воду в кишечнике, стиМОТОрную Деятельность, участвуют в механизме предуп­
реждения кариеса, а также выполняют функции энтеросорбентов
организмаТОКСИЧеСКИе Вещества и Радионуклиды и выводя их из
важны| Физиологические функции растворимых ПВ
обусловлены их пребиотическими свойствами, которые связаны с
участием в формировании питательной среда для развитая нор­
мальной кишечнои микрофлоры.
й^
НОВЛеНа Физиологическая суточная потребность организма
взрослого человека в ПВ, которая составляет от 25 до 38 г.
л е . п ™ ап Т ПВ В Г? Ще 0бУсловил необходимость анализа со­
держания ПВ в разнообразных видах растительного сырья и поис­
ка путей их восполнения в ней. Среди них:
„ т
Ше в ежедневные рационы питания растительной мас­
сы, содержащей повышенное количество ПВ;
•
производство и использование концентратов ПВ, вьщеляеи др)??го с ^ я Г еНН° И3 ВТ° РИЧНЫХ РесУРсов переработки зерна
щенных ПВ°ДСТВО НОВЬ1Х комплексных продуктов питания, обогаРастительное сырье содержит различное количество ПВ что
2 “
от его ботанической принадлежности, морфологических и
анатомических особенностей тканей.
ПВ, формирующие клеточные стенки различных растений в
основном содержат целлюлозу, гемицеллюлозы, пектиновые ве­
щества, лигнин. Структуры этих веществ и их межмолекулярное
взаимодеиствие определяют свойства ПВ в целом: способность
210
'держивать влагу, ионитные и другие особенности, поведение при
сулинарной обработке и качество пищи.
Целлюлоза. По молекулярному строению — это высокополи! верный линеиныи гомополисахарид растений, состоящий из ос­
татков О-глюкозы, соединенных между собой (3-1,4-гликозидныуш связями. Большинство остатков глюкозы в целлюлозе содержит
три свободных гидроксила у 2, 3 и 6-го углеродных атомов, кото­
рые являются основой для образования водородных связей и форI мирования прочных волокон. В среднем одна нить целлюлозы со­
стоит из 6000—12 ООО глюкозных остатков с молекулярной массой
■3* 105—2 • 107. Количество звеньев макроцепи в молекулах натив­
ной целлюлозы, или степень полимеризации (СП), может состав­
лять более 10 тыс. глюкозных единиц.
Молекулярное строение целлюлозы определяет ее надмолеку­
лярную структуру, а также физико-химические и морфологичес­
кие свойства:
сн,он
сн2он
П
Линейные гидрофильные молекулы целлюлозы объединяются
в виде параллельных нитей в характерное образование, называе­
мое фибриллами. Первичная фибрилла представляет собой наи­
меньшее надмолекулярное звено волокна целлюлозы.
В первичных фибриллах однородные высокоупорядоченные
кристаллические зоны, или «кристаллиты», чередуются с неодно­
родными и менее упорядоченными аморфными зонами. В крис­
таллитах существует трехмерный дальний порядок в расположе­
нии цепей. В аморфных участках стройный дальний порядок от­
сутствует и сохраняется лишь общая продольная направленность
цепей.
фибриллы целлюлозы соединяются между
помощью водородных связей в микрофибриллы, которые и явля­
ются основой строения волокон целлюлозы.
Лигнин и гемицеллюлозы заполняют пространство между эле­
ментарными фибриллами целлюлозы. Таким образом, одревес­
невшее вещество является полимерной структурой, состоящей из
целлюлозной арматуры, погруженной в лигноцеллюлозную мат­
рицу, имеющую сетчатое строение.
Количество целлюлозы в пищевых волокнах примерно около
30 %, и хотя ее содержание в растительной пище около 1 %, она в
значительной степени структурирует пищу. Ее усвояемость в
кишечнике человека в большой степени определяется происхож­
дением, содержанием в пищевом рационе и характером предвари­
тельной обработки и колеблется в среднем от 6 до 23 % (перева­
римость целлюлозы пшеничных отрубей — порядка 15 %). Клет­
чатка овощей переваривается значительно лучше, чем клетчатка
зерновых культур.
^
Роль целлюлозы в пищеварительном тракте человека заключа­
ется в следующем: стимулирование деятельности кишечника, уси­
ление его перистальтики, нормализация деятельности кишечной
микрофлоры, сорбция стеринов (препятствует их всасыванию, что
способствует выделению холестерина).
Неволокнистая порошкообразная модификация природной
целлюлозы, нашедшая значительное применение, — микрокрис­
таллическая целлюлоза (МКЦ). Основными поставщиками этого
продукта являются фирмы СШ А и Японии. МКЦ снижает кало­
рийность пищи, является ее загустителем и диспергатором, улуч­
шает ее товарный вид и качество блюд, способствует длительному
сохранению пищи. В пищевой промышленности Японии приме­
няется легкотекущая, высокогигроскопичная, порошковая моди­
фикация микроволокнистой целлюлозы.
Гемицеллюлозы (ГМЦ). Это растительные гомо- и гетерополи­
сахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой
(10 000—40000), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.
Основные компоненты гемицеллюлоз — глюканы, ксиланы, маннаны, галактаны, фруюгозаны, арабиногалакганы и т.д. Больше
всего в растениях содержится ксиланов. Много ГМЦ в семенах,
косточках, соломе, подсолнечной лузге, шелухе семян хлопчат­
ника, кукурузной кочерыжке. В среднем гемицеллюлозами пред­
ставлено 25 % (по массе) органического вещества однолетних
растений.
,
При гидролизе ГМЦ дают разнообразный набор соединений:
р-фруктозу, О-ксилозу-, О-галактозу, О-маннозу, Е-арабинозу,
Е-рамнозу, О-глюкозу, О-галактуроновую и 4-О-метил-О-глюкуроновую кислоты, которые присутствуют в виде боковых ответв­
лений^ Моносахариды входят в состав ГМЦ в пиранозной и фуранозной формах, уроновые кислоты — в пиранозной форме. От­
дельные моносахариды в ГМЦ связаны р-1 -» 2-, р-1 -> 3-, В-1 ->
—» 4- и р-1 —» 6-связями.
Полисахариды ГМЦ — обязательная составная часть клеточ­
ных стенок растений, выполняют в основном конструктивные
функции, инкрустируя целлюлозу. В ряде случаев наряду с крах­
малом полисахариды ГМЦ являются запасными питательными
веществами. Они входят в состав клеточных стенок различных
микроорганизмов.
В отличие от целлюлозы ГМЦ относятся к легкогидролизуемым
полисахаридам. Их извлекают из измельченных, обезжиренных
и обессмоленных растительных тканей или делигнифицированного сырья водными растворами щелочей, диметилсульфоксидом.
Из полученных растворов ГМЦ осаждают спиртом, ацетоном, ре­
активом Фелинга, солями, цетилтриметиламмонием, отделяют
центрифугированием, промывают и лиофильно высушивают.
Полисахариды ГМЦ отличаются разнообразными свойствами,
что обусловлено различным расположением звеньев в полимер­
ной цепи, типом связи между остатками моносахаридов, степенью
и характером ветвления звеньев, величиной молекулярной массы
и содержанием различных функциональных групп.
Особенности отдельных видов полисахаридов ГМЦ приведены
на рисунке 12.2.
А р а б и н а н ы — полисахариды, сопутствующие пектиновым
веществам в растительных тканях. Выделенные из различных ви­
дов сырья (корней сахарной свеклы, земляного ореха, яблок, цит­
русовых), арабинаны отличаются друг от друга степенью ветвле­
ния. Они растворимы в воде, легко гидролизуются.
Кс и ла н ы — наиболее распространенные полисахариды, вхо­
дящие в группу гемицеллюлоз. Их молекулярная масса порядка
30 ООО—40 ОООДа. Как правило, макромолекулы этих соединений
разветвлены. Основная наиболее длинная цепь сформирована из
остатков О-ксилопираноз, соединенных между собой р-связью по
месту 1 —>4 углеродных атомов. В составе боковых, менее разветв­
ленных цепей найдены: Ь-арабиноза, О-ксилоза, глюкуроновая
кислота и ее метиловый эфир, реже О-глнжоза и О-галактоза.
Они могут быть одинаковыми или сочетаться друг с другом.
Для разных видов растений и их анатомических частей харак­
терны различные по составу боковых цепей полисахариды, что
влияет и на качество пищевых продуктов.
Г а л а к т а н ы — их количества колеблются от менее 1до 15,8 %,
они формируют клеточные стенки разнообразных растений. Стро­
ение макромолекул галактанов зависит от вида растительного
Арабинаны
Т
Ксиланы
?
Ксиланы
Арабиноксиланы
Глюкуроноксиланы
Арабиноглюкуроноксилакы
*
"1
Маннаны
♦
Галактаны
Арабиногалактаны
I
Маннаны
Глюкоманнаны
1Галактоманнаны
Рис. 12.2. Состав гемицеллюлоз растительного сырья
♦
Фруктаны
Глюкофруктаны
сырья. Из семян белого люпина выделен линейный полимер, по­
строенный из остатков О-галактопираноз, соединенных 0 - 1 4
связью. Галактозы в линейной цепи полисахарида березы соеди­
нены а-связыо.
Сульфированные галактаны, выделяемые из водорослей, обла­
дают значительными желирующими свойствами и широко ис­
пользуются в кондитерском производстве. Они делятся на две
группы: агар и каррагинан. Агар является смесью двух полисаха­
ридов — агарозы и агаропектина. Основная фракция агарозы —
линейный полисахарид, построенный из повторяющихся звеньев
агаробиозы, соединенной в цепи гликозидной связью р-1 —>3.
Моносахаридные остатки в агаробиозе — Э-галактозы и 3,6-ангидро-Ь-галактозы — соединены связью а-1-»4. Серная кислота
посредством эфира присоединена к 6-му углеродному атому галактопиранозы.
Каррагинаны состоят из двух фракций: к- и х-каррагинанов, ко­
торые построены из звеньев сульфированной галактозы и 3,6-ангидрогалактозы. Агаро- и каррагинаноподобные полисахариды
образуют прочные студни даже в водных растворах очень малых
концентраций — 0,1—3 %. Эти свойства обусловлены спецификой
конформаций сульфополисахаридов в растворе.
Сульфированные полисахариды широко используют в конди­
терской промышленности при производстве желе, мармеладов,
киселей и других пищевых продуктов.
М а н н а н ы — формируют клеточные стенки хвойной древе­
сины, дрожжей, водорослей и другого сырья. Они построены из
остатков О-маннапираноз, соединенных 1 —»4 или 1 -> 6 связями.
К ним относятся галактоманнан, глюкоманнан, галактоглюкоманнан. Молекулы могут быть линейными или разветвленными, при­
чем боковые цепи соединены с основной связями 1 -» 2 или 1 -»3.
Ф р у к т а н ы — содержатся в зерне пшеницы, ячменя и других
покрытосеменных растениях, в топинамбуре, травах, бактериях.
Фруктаны построены из остатков фруктозы, соединенных по
месту 2 —» 1 или 2 —» 6 углеродных атомов. К их числу относятся
инулин, аспарагозин и другие вещества.
Роль гемицеллюлоз в питании человека разнообразна. Они без­
вредны для организма человека и перевариваются в зависимости
от строения на 69 — 95 %. ГМЦ служат источником энергии, влия­
ют на липидный обмен, играют роль энтеросорбентов, снижают
содержание холестерина, сорбируют микрофлору, соли тяжелых
металлов. В настоящее время определено значительное влияние
ГМЦ на качество пищевых продуктов. В качестве пищевых доба­
вок используют маннаны и галактаны.
Пектин. Это растительный полимер, представляющий собой
частично этерифицированную метанолом полигалактуроновую кис-
тоту с боковыми цепями из остатков О-галактозы, Ь-арабинозы,
Э-ксилозы, Ь-рамнозы и других соединений. В небольшом коликстъе пектину сопутствуют пектиновые вещества (ПВ) — полигааактурониды, содержащиеся как в наземных, так и в водных рас­
тениях. Они входят в состав клеточных стенок и межклеточных
{образований. В клетках они ассоциированы с целлюлозой, ГМЦ и
|лигнином. В большинстве случаев пектиновые вещества — гетеро1полисахариды, сформированные из галактуронана, арабинана, галактана. В состав галактуронана часто входят остатки рамнозы и
арабинозы. Нерастворимые пектиновые вещества — протопекти­
ны — содержатся в сырье в виде кальциевых, магниевых солей и
частично метоксилированы.
Нерастворимый пектин образован из длинных, переплетающихся цепей пектиновои кислоты, видимо, связанных друг с другом в
местах скрещивания через кальциевые, магниевые соли. В резуль­
тате обработки разбавленными кислотами образуются водораство­
римые пектиновые кислоты.
Молекулярная масса пектина колеблется от 2000 до 50 ОООДа в
зависимости от вида исходного сырья.
Пектин используют в кондитерской промышленности как
студнеобразующую добавку при производстве мармелада, желе; в
консервной — при получении джемов, желе; в хлебопечении —
при выпечке медленно черствеющих сортов хлеба; сыроварении
для увеличения водопоглотительной способности сыров, а также в
ряде других производств.
Пектин является энтеросорбентом различных вредных ве­
ществ: радионуклидов, солей тяжелых металлов, многих токсич­
ных органических веществ — и способен выводить их из организ­
ма. В промышленности пектин выделяют из яблочных выжимок,
жмыха подсолнечника, свекловичного жома, отходов переработки
к цитрусовых.
Лигнин. Он формирует значительную часть пищевых волокон.
Это инкрустирующий групповой полимер ароматического харак­
I тера, построен из фенилпропановых структурных звеньев трех ти­
пов: л-оксифенилпропана (I), гваяцилпропана (II), сирингилпропана (III). Находясь в различных соотношениях, они формируют
лигнины всех растений. Их состав и строение зависят от ботанической принадлежности растении, например, для лигнина хвой­
ных пород характерна структура II типа, лиственных пород — II
и III типов.
Содержание лигнина может колебаться от 6,8 % (оберточные
листья кукурузы) до 30,5 % (сосна).
В естественных условиях лигнин как таковой не существует, а
представляет собой лигнинполисахаридный комплекс, в котором
предполагается наличие химической связи между ГМЦ и лигнином.
и
Считается, что 3/4 общего количества лигнина связано с угле­
водами.
^
Природа связи между углеводами и лигнином окончательно не
определена. Вероятно присутствие сложноэфирных связей между
гидроксилами и карбоксилами, простых эфирных, фенилгликозидных и др. Кроме химических между лигнином и углеводами
существуют и водородные связи, обусловленные силами Ван-дерВаальса, механического сцепления.
,,,
Камеди. Это растительные и микробные полисахариды (камедь
гуара, камедь рожкового дерева, камедь ксантана и др.) или
гликопротеиды (гуммиарабик), включающие глюкуроновую и галактуроновую кислоты, галактозу, ксилозу, арабинозу, маннозу
в различных последовательностях и соотношениях, а также полипептидные фрагменты.
,
Полисахариды запаса. Это комплекс растительных полимеров,
состоящих из остатков Э-фруктофуранозы, связанных 1,2-р-гликозидными связями (инулин И др.).
4
'
Углеводно-белковые комплексы. Для клеточных стенок растений
характерна тесная взаимосвязь ГМЦ, лигнина, белков, существо­
вание лигноуглеводных, углеводно-белковых комплексов. Вероят­
но, при применении мягких методов фракционирования возмож­
но сохранение этих комплексов, содержащих ковалентные связи
между макромолекулами, и в ПВ.
12.1. МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН
В соответствии с рекомендациями ФА О/ВОЗ продукт, в 100 г
которого содержится 3 г ПВ, рассматривается как источник этого
функционального ингредиента, при содержании 6 г ПВ в 100 г
продукта он считается обогащенным пищевыми волокнами.
Существуют различные способы обогащения продуктов пище­
выми волокнами, каждый из которых обладает определенными
достоинствами и недостатками:
• использование в полном объеме сырья, содержащего ПВ;
• добавление вторичных продуктов с высоким содержанием ПВ;
• введение препаратов ПВ.
Среди известных способов обогащения продуктов питания пи­
щевыми волокнами наиболее перспективно введение в продукт
очищенных препаратов ПВ, позволяющих наряду с обогащением
продукта решить технологическую задачу формирования необхо­
димой консистенции или улучшения свойств продукта.
Получение препаратов ПВ основано на их выделении из расти­
тельного сырья и последующей очистке. Известные методы выде­
ления ПВ включают удаление из измельченной растительной тка-
ш низкомолекулярных веществ: моносахаридов, гликозидов, апIгалоидов, минеральных соединений, либо гидролиз и экстракцию
юпутствующего крахмала.
|> Выбор метода выделения ПВ из растительного сырья определяу*:тся их содержанием и плотностью упаковки биополимеров кле■гочных стенок.
| В зависимости от вида перерабатываемого сырья экстракция
)-гизкомолекулярных веществ и крахмала ведется водой при нагре­
вании (выжимки и вытерки ряда овощей, фруктов, винограда),
I>разбавленными растворами минеральных кислот (серной, хлорид\
. ной, фосфорной), щелочами (отруби, мучки, отходы переработки
овощей), солями сернистой кислоты, пероксидами, детергентами
| (стебли злаков, пленки, оболочки зерна, травы, древесина), либо
ь крахмал разрушают амилолитическими ферментами.
$ Нагревание сырья при температурах около 100 °С с разбавленVными растворами кислот приводит к деструкции крахмала, частичному гидролизу полисахаридов гемицеллюлоз. Последующая
| отмывка водой позволяет удалить низкомолекулярные вещества.
Выделенные ПВ отличаются от исходного сырья увеличенной
I внутренней поверхностью, повышенной способностью к сорбции
! и достаточной чистотой. Одновременно идет полная инактивация
микрофлоры, в том числе патогенной, что повышает качество по|лучаемых пищевых добавок.
Выделение ПВ возможно при нагревании сырья с детергента­
ми — поверхностно-активными веществами, используемыми в
малых концентрациях при небольших температурах. В более жест­
ких условиях идет распад макромолекул ПВ.
С помощью ферментативной обработки сырья получают наи­
менее деструктированные ПВ. В этом случае его последователь­
но обрабатывают амилолитическими (для удаления крахмала), а
затем протеолитическими (для удаления белков) ферментами
(а-амилаза, глюкоамилаза, протеаза и др., в количествах от 0,4 до
1мг/дм3).
С использованием ферментативных методов выделены кон­
центраты пищевых волокон из вторичных ресурсов переработки
зерна, овощей, фруктов и отходов их переработки, вторичных ре­
сурсов переработки винограда, трав, тростника и водорослей,
лиственной древесины и дана их характеристика.
Известные методы определения содержания ПВ в раститель­
ном сырье основаны на максимальном удалении сопутствующих
им веществ и сохранении целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнинного комплекса.
Злаковые продукты, овощи, фрукты, виноград, орехи являются
основными источниками ПВ. Кроме того, значительную часть
клеточных стенок древесины, трав, стеблей злаков, кустарников
составляют аналогичные компоненты, о чем свидетельствует со­
став их гидролизатов. Поэтому П В возможно получать не только
из пищевого сырья, но и из древесины, трав, стеблей злаков, запа­
сы которых практически неисчерпаемы.
Технологии выделения ПВ из нетрадиционного растительного
сырья должны обязательно включать удаление из него антипитательных веществ типа гликозидов и алкалоидов, очистку от других
сопутствующих низкомолекулярных и высокомолекулярных ве­
ществ (например, крахмала), снижение содержания минеральных
солей. С этой целью возможно использование механических, фи­
зических, химических и биологических методов.
12.1.1. МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ПВ С ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫМ
СОДЕРЖАНИЕМ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Целлюлоза в растениях очень редко находится в свободном со ­
стоянии, ей, как правило, сопутствуют гемицеллюлозы и лигнин.
Если гемицеллюлозы достаточно быстро гидролизуются и целлю­
лозу легко освободить от них, то удалить лигнин очень трудно.
Природную целлюлозу можно разделить на два типа: лигноцеллюлозу (древесина, кустарники, листья и трава, морские и речные
макро- и микроводоросли и т. д.) и чистую целлюлозу (хлопок, его
отходы и лен).
Удаление лигнина очень важный шаг в получении пищевых во­
локон целлюлозы. Состав природных целлюлозосодержащих ма­
териалов (Ц С М ) представлен в таблице 12.1. Данные, приведен­
ные в таблице, свидетельствуют о том, что лигнин присутствует
почти во всех растительных материалах, исключение составляет
только природой обработанный материал — верховой торф.
12.1. Состав целлюлозосодержащих материалов, %
Вид целлюлозосодержащего
сырья
Л егкогидролизируемые
полисахариды
(гемицеллюлозы)
лизуемые
полисахариды
ТрудногидроЛиги
Зольные
вещества
(целлюлоза)
Ель (Ленинградская область)
17,3
48
28,1
0,3
С осна (Восточная Сибирь)
17,8
47,8
19,7
0,2
Пихта (Восточная Сибирь)
14,9
44,2
29
0,5
Лиственница (Восточная С и ­
бирь)
24,8
37,6
24,6
0,2
Кедр (Дальний Восток)
26,7
25
21,7
0,2
Продолжение
Легкогидролизируемые
полисахариды
(гемицеллюлозы)
Трудногидро­
лизуемые
полисахариды
(целлюлоза)
Лигнин
Зольные
вещества
26,5
39,4
19,7
0,4
20,3
44
21,8
0,3
•23,5
41,6
22
0,5
Одубина
20,1
42,6
27,6
0,9
Лесосечные отходы (ветки
сосны )
20,6
37
25,6
0,3
Кукурузная кочерыжка
37,7
33,5
15,1
1,3
Подсолнечная лузга
21,5
27
27,4
2,4
Рисовая лузга
18,1
29
19
16
П росяная лузга
38,2
28
10
10,6
Хлопковая шелуха
26,4
41,5
25
2,8
Гуза-пая
20,5
38,3
25,5
3,5
Костра кенафа
21,9
37,4
27
2,8
Виноградная лоза
27,1
30,8
38,9
2,8
Пшеничная солом а
23,4
39
24,5
5,9
Тростник
20,4
40
24,5
2,6
16- 36
20-24
Вид целлюлозосодержащего
сырья
Береза (Ленинградская о б ­
ласть)
Осина (Ленинградская о б ­
ласть)
Бук (Кавказ)
Верховой т орф (степень р аз­
ложения 15—2 0 % )
0
^
Методы делигнификации ЦСМ разделяют на химические и
биологические. Предобработка ЦСМ осуществляется физическимеханическими методами.
м е т о д а м п р е д о б р а б о т к и относятся
Ф
виды облучения
облучения у-лучами или потоком электронов
2500
мГц);
обработка микроволновым излучением (2400
нагревание на воздухе или в атмосфере С 0 2 V*—
-™
в керосине, охлаждение, воздействие повышенного или пони
гжного давления, действие ультразвука.
гтпугк
Эти методы вызывают частичную деградацию сложной струк
туры целлюлозы и лигнина, особенно кристаллической
К м е х а н и ч е с к и м м е т о д а м п р е д о б р а б о т к и отно-1
сят различные способы измельчения сухих и влажных Ц СМ :
на шаровых, коллоидных и вибромельницах;
в дезинтеграторах;
I
на дробилках;
на вальцах.
Х и м и ч е с к а я д е л и г н и ф и к а ц и я Ц С М осуществляется *
кипячением или автоклавированием в течение 30— 60 мин в раз-1
бавленных растворах щелочи (1— 2 %), обычно N8011 или Ы Н ^ Н , н
а также обработкой перегретым водяным паром. Делигнификация 1
может быть проведена сульфатной и сульфитной варкой (способ, I
принятый в целлюлозно-бумажной промышленности), а кроме
того, раствором аммиака, смешанным с пероксидом водорода или |
надуксусной кислотой или со смесью 99,9%-го уксусного ангид- I
рида и 30%-го пероксида водорода (1:1 при 80 *С), водными рас- I
творами этанола или бутанола. Делигнификация этанолом осуще- 1
ствляется при рН 8,2, температуре 150 *С и избыточном давлении I
0,5 М П а; бутанолом — в смеси с водой (1:1) в присутствии не- 1
больших добавок (до 0,3 %) НС1, N 113 , № О Н или Ыа2СО з, про- 1
цесс осуществляется в течение 1 ч при 170 вС. В качестве катали- |
заторов используют Н 25 0 4, РеС13, Ы Н4Н 2Р 0 4, антрахинон (при I
165 ’С , 3 мин), бензол, нитробензол, толуол, фенол, уксусную кис- |
лоту (при 120 °С, 2 ч). Возможна делигнификация Ц С М этилен- |
гликолем, озоном.
I
У нас в стране осуществлена предобработка целлюлозы мето- I
дом взрывной дефибрации Ц СМ по декомпрессионному принци­
пу или паровым взрывом. Ц С М подвергают кратковременному
воздействию перегретого пара под высоким давлением (несколько
секунд, 240...300 ‘С , 3,5— 7,5 М П а) в присутствии или отсутствии
5С>2, далее давление сбрасывают, что вызывает взрыв Ц С М . Лиг- I
нин плавится, целлюлоза частично деградирует, а гемицеллюлозы I
гидролизуются.
К б и о л о г и ч е с к й м м е т о д а м п р е д о б р а б о т к и Ц СМ
относят использование лигнолитических микроорганизмов, спо­
собных утилизировать лигнин из лигнинцеллюлозы в качестве |
источника углерода или ферментов, синтезируемых этими микро­
организмами. Такие микроорганизмы встречаются среди грибов,
актиномицетов, бактерий, дрожжей. Н о биологические методы
пока недостаточно изучены. П ока они очень длительны (сутки и
даже месяцы), но относительно эффективны, поскольку увеличи­
вают реакционную способность Ц С М в несколько раз.
Ферментативная деградация лигнина перспективна и эффек­
тивна при переработке древесного растительного сырья, а получа­
емые отходы можно использовать для получения кормового белка
и сырья для химической промышленности. Однако пока еще не
найдены активные продуценты лигнинразрушающих ферментов,
<отя исследования в данном направлении ведутся уже более 50 лет.
В 50-е годы XX в. было показано, что разложение целлюлозы и лиг; чина древесины осуществляют базидиальные грибы, которые обра­
зуют на поверхности гниющего дерева красно-коричневую (бурую)
и белую гниль. Возбудители бурой гнили (Вго\га-то1 йт#) активно
гидролизуют целлюлозу, гемицеллюлозные комплексы и лишь не­
значительно воздействуют на лигнин, т. е. вызывают реакцию де­
метилирования лигнина. В то же время возбудители белой гнили
(\УЫ1е-го1 ЙИ181) разрушают древесину, превращая ее в белую массу.
Они действуют в первую очередь на лигнин и почти не затрагива­
ют целлюлозу. К таким грибам можно отнести следующие виды:
Ро1урогиз \етсо1ог, Р1еигоШз озТгеаШз, Ропа зиЬасШа. Разложение
этими грибами лигнина идет окислительным путем, который
включает деметилирование, образование дифенолов под действи­
ем диоксигеназ. Однако эти и другие грибы вызывают медленное
гниение древесины и не используются для практических целей.
В 70—80-е годы было показано, что разрушать лигнин способ­
ны также аскомицеты (Азсотусе1е$: РетсШшт, Азрег^Шиз), несо­
вершенные грибы ( Ризапит, Акетапа), а также актиномицеты ро­
дов 5(гер1отусез и ТИегтотопозрога, бактерии родов АсИготоЬас1ег,
А%гоЬас1епит, Рзеийотопаз.
Необходимо отметить, что состав лигнина разных пород де­
ревьев неодинаков: лигнин хвойных пород имеет мономером
конифериловый спирт; лиственных пород — конифериловый и
синаповый спирты, а травянистых растений — конифериловый и
паракумаровый, или л-оксикоричный, спирты:
Конифериловый
спирт
Синаповый
спирт
и-Кумаровый, или
л-оксихоричный,
спирт
молекуле
ным образом соединены между собой при помощи эфирных и
С—С-связей, которые очень устойчивы к воздействию фермен­
тов. Лигнин содержит значительное количество функциональных
групп, но в связи с большими сложностями извлечения его из дре­
весины в нативном виде четких представлений о его строении
пока нет.
Жесткая аморфная нестереорегулярная структура лигнина от­
личается неупорядоченной полимеризацией радикалов, образо­
ванных растительными пероксидами из мономеров-предшественников — кумарового, синапового и кониферилового спирта.
Насчитывают не менее десяти типов связей между фенилпропановыми структурными единицами лигнина. Наиболее часто
встречаются р-О-4- и С —С-связи типа р-1. В лигнине много ме­
тальных, метокси- и гидроксильных групп. Лигнины различного
происхождения отличаются главным образом мономерами и соот­
ношением этих мономеров в составе того или другого лигнина.
Деградация лигнина — сложный, трудноконтролируемый про­
цесс. В нем участвует ряд окислительных ферментов, таких, как
лигниназа, фенол оксидазы (лакказа, тарозиназа), пероксидаза и др.
Очень важно в этом процессе и соотношение этих ферментов в ре­
акционной среде.
Технологические особенности микробной деградации лигнин­
содержащего сырья пока еще полностью не изучены, поскольку
нигде не получают лигниназных препаратов для последующего
использования при обработке лигнина. Поэтому сейчас стоит за­
дача поиска природных микробных продуцентов лигнинразрушающих ферментов и разработки условий их культивирования для
последующего получения технических препаратов и их апробации
на различных вариантах лигнинсодержащего сырья.
Изучение биохимического состава различных представителей
нетрадиционного для пищевой промышленности растительного
сырья, а именно: образцов березовых и сосновых опилок, листьев
березы и соломы хлебных злаков, проведенное в М ГУ П П , показа­
ло, что сосновые опилки наиболее богаты целлюлозой, которая
составляет в них в среднем 51 %, тогда как в остальных видах ис­
следованного сырья содержание целлюлозы меньше и варьирует в
пределах 32— 43 % в зависимости от вида растительного сырья.
Выделенная из них и очищенная целлюлоза может быть ис­
пользована в виде пищевой добавки, способной снижать калорий­
ность пищи, быть диспергатором, улучшать товарный вид и каче­
ство пищевых продуктов.
С целью поиска активного продуцента лигнинразрушающих фер­
ментов, способного быстро трансформировать биополимеры расти­
тельного сырья, было испытано более 100 культур микроорганизмов:
грибов, относящихся к родам Лзрег%Н1из, РетсИНит, Тпскоёегта,
Ризапит, Мисог, Ккгюриз, Оозрога, а также бактерий родов ВасШиз,
Рзеиёотопаз, ЕпХегоЪас1ег, Мгсгососсиз, дрожжей родов СапёШа, Епс1отусорзгз, ТпсИозрогоп и актиномицетов рода ЗтгерЮтусез. На основа­
нии проведенного скрининга микроорганизмов был выбран штамм
ЗГгерГотусез тегзег С-24, способный утилизировать лигнин на 73,9 % в
условиях глубинной ферментации на питательной среде следующего
ж!
:осгава, %: сосновые опилки — ш, г ш 41ми3 —
к л 2г и 4 —
Мё504■7Н20 — 0,01, кукурузный экстракт — 2, глюкоза — 1.
Из культуральной жидкости А тегзег С-24 путем осаждения
Зелка этанолом при соотношении культуральная жидкость: эта­
нол 1:3, отделения осадка фильтрацией и сушкой под вакуумом
при температуре 40...50вС был получен ферментный препарат
лигниназы, обладающий гемицеллюлазной, лакгазной и пероксидазной активностями.
Выделенный ферментный препарат использовали для получе­
ния концентрата пищевых волокон с повышенным содержанием
целлюлозы (КПВЦ) из сосновых опилок по разработанной тех­
нологической схеме, представленной на рисунке 12.3. Обработка
Измельчение
Пар, КаОН
Сток на
Предобработка
№ О Н (0,01 Ж)
нейтрализацию
т = 60 мин, /= 100 *С
т = 10—15 мин, рН 6
дазой (1 %)
Конденсат
т = 2—5 мин, /= 100 #С
Оборотная
вода
вода
Осадок
парогазовой
смеси
Измельчение и
до размера ч
КПВЦ
Расфасовка и упаковка
Готовый продукт
Рис. 12.3. Принципиальная технологическая схема процесса получения КПВЦ из
растительного сырья
растительного сырья ферментным препаратом позволила полу­
чить КПВЦ следующего состава, %: целлюлоза — 87, гемицеллю­
лоза — 11| лигнин — 2.
4
Исследования функциональных свойств полученного КПВЦ
показали, что он может быть использован при производстве функ­
циональных пищевых продуктов, в частности хлебобулочных
изделий.
-Ж
12.1.2. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПЕКТИНА
ИЗ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Традиционная технология получения пектина основана на кис­
лотно-термическом гидролизе и последующем спиртовом осажде­
нии из гидролизата. Получение пектина зарубежными компания­
ми в настоящий момент основано именно на такой технологии.
По оценкам многих экспертов за рубежом, производство пек­
тина по классической технологии целесообразно лишь при объемах
производства не менее 2000 т пектина в год из-за огромных затрат
на производство, утилизацию кислых сред и амортизационные от­
числения на восстановление технологического оборудования.
Использование ферментных препаратов существенно упрощает
технологический процесс получения пектина и его аппаратурное
оформление, сокращает расход этанола на стадии выделения пек­
тина. С этой целью используют целлюлазы и гемицеллюлазы или
пектолитические ферменты.
Гидролиз пектолитическими ферментами приводит к удалению
с помощью эндополигалактуроназ фрагментов полигалактуроновой кислоты из состава протопектина. При этом структура комп­
лекса целлюлозы и гемицеллюлозы не затрагивается, что физичес­
ки затрудняет процесс экстракции пектина и позволяет получать
его препараты с более высоким относительным содержанием полигалактуроновой кисЛоты. В этом варианте технологии важно
ограничить степень гидролиза пектина в процессе экстракции,
чтобы получить продукт достаточно высокой молекулярной массы.
Большинство полигалактуроназ эндотипа синтезируются в со­
четании с пектинэстеразой, которая необходима для проявления
их активности. В препаратах пекголитических ферментов соответ­
ственно присутствуют оба вида фермента. При гидролизе расти­
тельного сырья пектолитическими препаратами происходит не
только вырезание фрагментов полигалактуроновой кислоты, но и
частичная деэтерификация последней. Это оценивается положи­
тельно в тех случаях, когда получают пектин лечебно-профилак­
тического назначения с высокой комплексообразующей способ­
ностью. При получении пектинов-структурообразователей важно
эхранить высокую степень этерификации, поэтому целесообраз, о использовать первый путь ферментативного гидролиза сырья.
При гидролизе целлюлозы облегчается выход комплекса полиIшактуроновой кислоты и гемицеллюлоз из клеточных стенок,
идролиз гемицеллюлоз приводит к повышению содержания по!игалактуроновой кислоты в вьщеляемом пектине. При отсут­
ствии в используемых ферментных препаратах пектолитических
! >ерментов полигалактуроновая кислота пектина не расщепляется,
степень ее этерификации не изменяется. Получаемый пектин
[юдержит частично метоксилированную полигалактуроновую кис. оту, ковалентно связанную с фрагментами гемицеллюлозы, покольку полное отщепление нейтральных полисахаридов обычно
:е достигается. Одновременно с этим из сырья вьщеляюгся расворимые формы пектина, если они не извлечены на предшествуэщих стадиях переработки сырья.
В 70-е годы был разработан способ получения пектина из вы<имок (яблок, груш, айвы и др.), основанный на гидролизе сырья
[Делловиридином ГЗХ. В препарате практически отсутствует пеколитическая активность. Гидролиз свежего сырья проводят в тегение 2 —Зч при температуре 45...50“С, гидромодуле 1:3 и дозе
препарата 0,1—0,3 % массы сырья. При гидролизе в экстракт пеэеходит 85—90 % пектина, который представлен в виде как пектишвой кислоты, так и протопектина. При гидролизе этого же сырья
Делловиридином Г20Х в дозе 5,7 —6,5 ед. целлюлазы на 1 г СВ
:ырья в течение 2 — 3 ч получают пектин со степенью этерификадии 88 %. Из экстракта получают концентрированные жидкие
лли спиртоосажденные препараты пектина. Способ применим и к
другим видам сырья (выжимки смородины и рябины).
Позднее было выяснено, что возможно использование пектинрасщепляющих ферментных препаратов (Пектомацерин Г10Х и
Пекталлиацин Г10Х) для выделения пектина из цитрусовых вы­
жимок. Оптимальная доза первого препарата — 0,0025—0,0062,
второго — 0,05—0,07 % массы сырья. При осаждении пектина из
экстракта выход составляет 14 % массы сырья. Повышение дозы
препаратов приводит к деградации пектина.
Разработан способ получения пектина из тыквенного жома,
который является отходом производства тыквенного сока, с ис­
пользованием ферментного препарата Пектаваморин в количе­
стве 14 % массы воздушно-сухого жома по сравнению с 7 % при
кислотной экстракции. Ферментный препарат обладает целлюлазной, р-глюкозидазной, эндополигалактуроназной и пектинэстеразной активностями. Полученный тыквенный биопектин
эффективно образует комплексы с тяжелыми металлами и может
быть использован при производстве функциональных продуктов
питания.
Разработан способ получения пектина из яблочных выжимок с
использованием препарата Винозим Л путем перевода протопек­
тина в растворимый пектин при гидромодуле 1:1. Винозим Л яв­
ляется комплексным ферментным препаратом с пектолитической,
целлюлазной, гемицеллюлазной и р-глюканазной активностями,
поэтому при его действии наблюдается одновременное нарушение
структуры полисахаридов — целлюлозы, гемицеллюлозы, крахма­
ла, приводящее к образованию простых соединений.
Поскольку степень экстрагирования растворимого пектина из
выжимок отстает от степени гидролиза, при проведении кратко­
временной ферментативной обработки выжимок в течение 30 мин
создаются условия, благоприятные для перевода протопектина
в растворимый пектин, а принятый гидромодуль 1:1 сдерживает
экстрагирование растворимого пектина в гидролизат. При этом
растворимый пектин остается в выжимках, что очень важно для по­
лучения студнеобразующего порошка, который можно использовать
в консервной, кондитерской отраслях при выработке повидла,
конфитюра, подварок, начинок для конфет, а также в качестве
биологически активных добавок при выработке соков с мякотью,
хлебобулочных и других изделий.
V
Возможно получение пектина с использованием пектиназно-целлюлазного комплекса (соотношение пектиназы и целлюлазы 1:10).
Пектинсодержащее растительное сырье разбавляют водой при
гидромодуле 1: (4—5), нагревают до 40...50вС, вносят пектиназно-целлюлазный ферментный препарат в количестве 0,03—0,05 %
массы сырья, проводят ферментолиз в течение 90—120 мин при
периодическом перемешивании и разделяют фазы. Возможно осу­
ществление промывки твердой фазы водой и смешивание по­
вторно отделенной жидкой фазы с ферментолизатом. Далее из
жидкой фазы выделяют целевой продукт, например мембран­
ным концентрированием или спиртовым осаждением и сушкой.
Выход пектина повышается в среднем на 10 % и зависит от вида
сырья.
12.1.3. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН С ПОМОЩЬЮ
ГЕМИЦЕЛЛЮЛАЗНЫХ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
Во всем мире при переработке растительного сырья придают
большое значение его обработке гемицеллюлазными ферментами.
С помощью этих ферментов можно изменять биохимический со­
став пищевых волокон и одновременно получать глюкозу и пентозы, которые можно использовать для производства кормовых бел­
ковых препаратов, для получения ксилита, фурфурола, этанола,
биогаза и т. д.
Щ
Д У Ж
г !
Как уже говорилось ранее, гемицеллюлозы являются широко
распространенными в природе полисахаридами, состоящими из
различных моносахаров.
Соответственно в природе есть тысячи микроорганизмов —
Продуцентов гемицеллюлазных ферментов, которые относятся к
Л;амым разнообразным таксономическим группам.
I Все гемицеллюлазные ферменты можно разделить на три груп1ш: р-О-глкжаназы, р-ксиланазы, р-глюкозидазы.
Н
р-Б-Глюканазы. К ним относят группу ферментов, катализиру>ощих расщепление р-глюканов с р-1,2-, Р-1,3-, р-1,4- и р-1,6-свя’юми. Согласно номенклатуре ферментов в нее входят шесть энзи‘иов. Объединяет же всю эту группу ферментов их способность к
гидролитическому расщеплению внутримолекулярных глюкозидчых связей в Р-глюканах различного происхождения.
р-Ксиланазы. К ним относят систему ферментов, катализирующих расщепление Р-гликозидных связей в р-ксиланах, эта группа
■ включает пять ферментов.
При изучении ксиланаз на различных субстратах было установ||лено, что по механизму воздействия их можно подразделить на
две группы: гидролизующие а-1,3-связь, расположенную между
ксилозой и арабинозой; ферменты, не отщепляющие арабинозу от
арабиноксиланов, арабиноглюкуроноксиланов и олигосахаридов.
Р-Глюкозидазы. Р-Глюкозидаза — фермент экзогенного дей­
ствия. Она гидролитически расщепляет последнюю с нереду­
цирующего конца р-1,4-связь в Р-О-глюкозидах, высвобождая
Р-6-глюкозу. р-Глюкозидаза проявляет широкую субстратную
специфичность. Некоторые ферменты этой группы гидролизуют
не только р-О-глюкозиды, но и р-О-галактозиды, а-Ь-арабинози[;ды и р-О-ксилозиды.
Р-Глюканазы образуются грибами, бактериями и дрожжами.
||Спороносные бактерии В. зиЫШз и В. тезеп1епсиз синтезируют из
комплекса гемицеллюлаз только р-глюканазы, что снижает их
практическую значимость.
Продуцентами ксиланаз являются грибы, актиномицеты, бак­
терии, дрожжи. Наибольшей продуцирующей способностью обламдают грибы, относящиеся к родам Тпскойегта, ТпсШкесшт, РетсПНит, 5шскуЬо1гуз и особенно виды рода АзрегрИиз.
Р-Глюкозидазы образуются бактериями, дрожжами, грибами.
Наиболее активными продуцентами р-глюкозидаз являются гри­
бы, принадлежащие к родам Тпскоёегта и Азрег%Шиз.
Гемицеллюлазные ферментные препараты в лабораторных и
промышленных условиях получают поверхностным и глубинным
способами на основе различных видов микроорганизмов: Тпско1кесшт гозеит, АзрегрИиз аматоп, А./оеЛЛиз, А. пщег, 5(гер1отусез
а/%катепз15, Тпскойегта утёе, Т. 1опяЬгасЫаШт, СеоМскит сапШ-
ёит, АсНпотусез %пзетиз, а также с помощью анаэробных бакте ■
рий, относящихся к родам С1оз1гШшт, Асе(тЬпо и др., например
С. (ИегтосеЦит, А. сеИиШуНсиз.
и 1
12.2. СВОЙСТВА ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН
К
в
^ш Я
Пищевые волокна — сложный комплекс биополимеров (поли-■>
сахаридов и лигнина) линейной и разветвленной структуры. Пер- Щ
вичные и вторичные гидроксильные группы, фенольные, карбок- ж
сильные группы обусловливают межмолекулярное взаимодействие Е а
(водородные связи), способность сорбировать воду и другие поляр-1:
ные молекулы и ионы. Поэтому ПВ обладают рядом физико-хи-1
мических свойств, в том числе: водоудерживающей способностью, К;
взаимодействием с белками, ферментами, гормонами, продукта-1:
ми распада углеводов, пептидами и аминокислотами, жирными I
и другими кислотами в процессе пищеварения в желудочно-ки- а :
шечном тракте человека. Вид этих взаимодействий зависит от со-1
става и строения ПВ, вида и плотности межмолекулярной упаков-1
ки, количества аморфных и кристаллических участков волокон. \I
Пищевые волокна, выделяемые из растительного сырья, пред-1
ставляют собой порошкообразные продукты. Их физические I
свойства определяют возможность их использования в виде пище-1
вых добавок и лечебно-профилактических средств.
I
Препараты ПВ, выделенные из различного растительного I
сырья, характеризуются более развитой удельной поверхностью, I
большим средним радиусом пор, чем в исходном сырье, что оп- I
ределяет целесообразность их использования в качестве сор- I
бентов.
; I
Водоудерживающая способность (ВУС) связана не только с Я
особенностями состава, строения биополимеров ПВ, но и с разме- |
рами их частиц, характером поверхности, пористостью. Компо- Г)
ненты ПВ характеризуются разной способностью сорбировать ..
воду. Так, пектиновые вещества, полисахариды гемицеллюлоз об- м
ладают повышенными влагоудерживающими свойствами.
I
У лигнина меньшая ВУС, что связано с межмолекулярной упа- И
ковкой. Способность поглощать и удерживать воду у целлюлозы I
значительно выше из-за наличия системы тончайших субмикро- 1
скопических капилляров.
I
По способности прочно удерживать воду ПВ располагают в 1
следующий ряд: ПВ яблок > ПВ трав > ПВ древесины > ПВ сель- I
скохозяйственных отходов и продуктов переработки зерна > ПВ ]
листовой ткани и морских растений.
I
Считают, что самые большие размеры пор у ПВ отрубей, яблок; |
меньшие — у ПВ, выделенных из других видов сырья.
1
в
^ Пищевые продукты имеют различную влажность и относитель* >е содержание ПВ, что определяет их водоудерживающую спо? бность и влияет на их свойства в пищеварительном тракте.
■Ионообменные свойства ПВ. Пищевые волокна оказывают вли!гие на минеральный обмен в желудочно-кишечном тракте за
I ет присутствия в них карбоксильных групп гемицеллюлоз и пекЩ шовых веществ, фенольных гидроксилов лигнина, которые свяЩ 1ваются катионами и в меньшей степени анионами.
Н Они способны вступать во взаимодействие с радом металлов,
;том числе с тяжелыми, анщжами кислот, а также с полярными
■ эганическими веществами: фенолом, карбамидом, холевыми кис■ этами и др.
щ На этот процесс значительное влияние оказывает целый ряд
■ акторов: размеры частиц сырья, величина рН среды, температу1 1, время контакта.
щ Катионообменная способность ПВ (КОС) определяется в осЩ овном содержанием в них карбоксильных групп, большая часть
ж оторых находится в форме солей, способных под воздействием
щ лльных минеральных кислот переходить в Н +-форму. Поэтому
редварительная обработка сырья в процессе выделения ПВ споэбствует повышению их концентрации и увеличивает их катионобменную способность.
ПВ обладают как ионитной, так и молекулярной сорбцией.
)ни способны связывать ионы как свинца, так и кадмия, а также
ругих тяжелых металлов (присутствующих в воде и почве, а слеовательно, в пище), нитраты, нитриты, аммиак, радионуклиды и
[елый ряд органических веществ, в том числе фенолы, формаль­
дегид, карбамид и др.
Концентраты ПВ, выделенные из различных видов растительгого сырья, обладают разной способностью связывать экологичес>31 вредные вещества (ЭВВ).
I Наилучшими сорбционными свойствами из всех видов ПВ обвдает лигнин. Эффективен комплекс целлюлозы с гемицеллюлоими. Целлюлоза обладает высокой сорбционной способностью
ю отношению к нитратам и нитритам, карбамиду, меньшей — к
другим ЭВВ.
Сорбционная способность ПВ как полиэлектролита зависит от
та вида и величины рН раствора. Так, при сорбции РЪ2+ из расгвора концентрации 0,01 моль/дм3 активность ПВ виноградных
зыжимок > ПВ свеклы > ПВ люцерны > ПВ клевера > ПВ лигнича > ПВ активированного угля. Возможно применение ПВ в ле­
чебной практике в качестве энтеросорбентов.
Однако при использовании ПВ в лечебно-профилактических
целях необходимо учитывать, что длительное и избыточное введе­
ние их с пищей может несколько снизить (на 1,5 —3 %) всасыва-
ние незаменимых микро- и макроэлементов и ряда водорастворимых витаминов. Считается, что ПВ связывают фолиевую кислоту |
и некоторые витамины группы В. В то же время имеются данные ;
об усилении под действием ПВ внутрикишечного бактериального
синтеза витаминов В|, В2, В$, РР и фолиевой кислоты. Благодаря |
адсорбционным и катионообменным свойствам, а также наличию
фитатов ПВ снижают поступление в организм кальция, цинка. |
фосфора, железа, магния и др. Все это следует учитывать при вве­
дении препаратов ПВ в рецептуры пищевых продуктов.
I
Радиопротекторные свойства ПВ. Различные виды пищевых
волокон способны связывать радиоактивные цезий-137 и строи- |
ций-90 в организме животных и человека.
I
Наибольшей способностью связывать изотопы стронция-85 и
снижать их накопление в организме обладают пищевые волокна,
выделенные из люцерны и кожуры лимона.
'«? I
Сорбция холевых кислот (ХК). Эти кислоты содержатся в желчи
человека и обычно связаны амидными связями с аминокислотами
и таурином. Печеночная ткань превращает приблизительно 80 % 1
холестерина в желчные кислоты, преимущественно в собственно
холевую и хенодезоксихолевую. Причем ежедневно из организма
человека выводится от 0,8 до 1 г всех желчных кислот.
*
Поэтому способность ПВ сорбировать и выводить из организма
холевые (желчные) кислоты представляет значительный интерес,
поскольку приводит к понижению содержания в нем холестерина
и замедлению развития атеросклероза.
Ц| I
Способность ПВ, выделенных из разного сырья, сорбировать
холевые кислоты зависит от способа получения препаратов и со­
става ПВ, концентрации кислоты (холевой, дезоксихолевой и др.),
температуры, рН и других факторов. Среди ПВ целлюлоза облада­
ет наименьшей способностью сорбировать холевые кислоты.
я? Я
Адсорбция патогенных микроорганизмов. Кишечный тракт по­
звоночных животных .и человека является естественной средой
обитания для значительного большинства энтеробактерий. В орга- I
низме человека ряд энтеробактерий входит в состав микробных
биоценозов тонкого и толстого кишечника. Патогенные виды
(возбудители брюшного тифа, дизентерии, сальмонеллезов и др.) ;
встречаются только у больных и бактерионосителей. Патогенные I
свойства энтеробактерий определяются их адгезивностью — спо­
собностью прикрепляться к слизистой оболочке стенок кишечни- г
ка, обусловленной положительным хемотаксисом между поверх­
ностными структурами микроба и рецепторами эпителиальных |
клеток, и токсигенностью (наличием эндо- и экзотоксинов).
1
В лабораторных условиях для исследований обычно использу- К
ются непатогенные представители семейства Еп1егоЬас1епасеае — .•
штаммы ЕзскепсЫа соИ.
'*
ШЦ
231
Среди бактерий семейства Рзеийошопааасеае есть виды (Рз. аеги-1
%тоза), также способные вызывать ряд заболеваний: Псевдомонадный энтерит, возникающий при употреблении контаминиро-;
ванной возбудителем воды и клинически сходный с симптомами I
брюшного тифа; некротизирующий колит у детей с острым лейко-1
зом; диарею у новорожденных; селективное размножение и акти-1
вацию псевдомонад у онкологических больных. У таких больных ’
количество псевдомонад может достигать 50 — 75 % всей микро-1
флоры фекалий; в небольшом количестве (0,1 %) псевдомонады
присутствуют в кишечнике у 5 — 20 % здоровых людей.
* I
Представители семейства М1сгососсиз, а именно рода БШрИНо- •
соссиз, являются представителями нормальной микрофлоры кожи
человека, дыхательных путей и пищеварительного тракта; их по- |
стоянно обнаруживают в воздухе и окружающей среде. Патоген­
ные свойства конкретного штамма стафилококка определяются *
суммирующим действием экзо- и энтеротоксинов и ферментов
(лейкоцидина, коагулазы). Наличие у 5. аигеиз энтеротоксина
обусловливает возникновение широко распространенного типа пи-^ I
щевых токсикоинфекций.
' I
Украинскими исследователями показан высокий уровень ад- 1
сорбции условно-патогенных микроорганизмов пищевыми волок- я
нами, выделенными из различного сырья (табл. 12.2).
'Щ I
При бактериальной нагрузке на 1 г ПВ, равной сотням тысяч I
микроорганизмов, уровень адсорбции Е. соИ составил 40,6 — 42,5 %, I
81. аигеиз — 37,7—57,1, Рз./1иогезсепз — 30—76 %.
I
Способность адсорбировать палочковидные грамотрицательные я
бактерии (кишечную палочку и псевдомонаду) и грамположитель- I
ные кокки сохраняется у пищевых волокон, обогащенных пекар- I
скими дрожжами. Пищевыми волокнами из суспензии Е. соП в I
физиологическом растворе сорбировалось 30,2—51,6% бактери- I
альных клеток; концентрация *5У. аигеиз снижалась на 39,7—56,6, I
Рз./1иогезсепз — на 42,1—71,2%.
12.3. СИСТЕМАТИКА ПИЩЕВЫХ ВОЛОКОН
Украинскими учеными М. С. Дудкиным и Л. Ф. Щелкуновым
предпринята попытка систематики ПВ по ряду признаков.
По и с т о ч н и к а м в ы д е л е н и я ПВ из р а с т и т е л ь н о ­
го с ы р ь я (I) различают:
• традиционные для пищевой промышленности источники
сырья (злаки, овощи, фрукты, ягоды);
• нетрадиционные источники сырья (травы, водоросли, древе­
сина).
По х а р а к т е р у б и о п о л и м е р о в (II) ПВ разделяют на:
• гомогенные (однородные), сформированные из однотипных
1ысокомолекулярных веществ (целлюлоза, пектин, маннаны, ара, инаны, лигнин и др.);
I • гетерогенные (неоднородные), включающие биополимеры
Нескольких видов (холоцеллюлоза, целлолигнин, белково-полиса|аридные комплексы, гемицеллюлозо-целлюлозо-лигнины, бел[;ово-полисахаридо-лигнинные комплексы и др.).
По с о д е р ж а н и ю ПВ в к о м п л е к с а х (III) различают:
[ • исходное растительное сырье, содержащее до 30 % ПВ (по­
рочные продукты переработки'зерна, фруктовые выжимки, очист31, вытерки, травы, ряд овощей и др.);
• полуконцентраты ПВ, включающие 30—60 % собственно воюкон (отруби зерна и др.);
• концентраты ПВ, содержащие 60—90% этих компонентов
концентраты ПВ томатных выжимок, виноградной лозы, пше­
ничных отрубей и др.);
• изоляты ПВ, в которых более 90 % собственно ПВ (лигнин,
целлолигнин, целлюлоза, холоцеллюлоза различного сырья и дру­
гие высокоочшценные продукты).
По р а с т в о р и м о с т и в во де (IV) — одному из основных
свойств ПВ, определяющих их поведение в желудочно-кишечном
тракте человека, ПВ можно подразделить на:
• водорастворимые (пектиновые вещества, альгиновые кисло­
ты, арабиноксиланы, камеди, слизи и др.);
• малорастворимые и нерастворимые в воде (целлюлоза, лигнин,
целлюлозолигнинные комплексы, некоторые виды гемицеллюлоз).
По в о д о у д е р ж и в а ю щ е й с п о с о б н о с т и (V) — важно­
му свойству, также влияющему на различные эффекты в желудоч­
но-кишечном тракте человека, ПВ разделяют на:
• сильноводосвязывающие — более 8 г НгО на 1 г ПВ (ПВ жома
сахарной свеклы, виноградной лозы, клевера и др.);
• средневодосвязывающие — 2 — 8 г Н20 на 1 г ПВ (ПВ пше­
ничных отрубей, люцерны, виноградных выжимок и др.);
• слабоводосвязывающие — до 2 г Н20 на 1г ПВ (ПВ жмыха
виноградных семян, целлюлоза жмыха виноградных семян и др.).
Пищевые волокна оказывают значительное влияние на мине­
ральный, витаминный и другие виды обменов, происходящих в
организме животных и человека. Они способны связывать и выво­
дить из организма как экологически вредные вещества (нитраты,
нитриты, формальдегид, фенолы, пестициды, тяжелые металлы,
микотоксины), так и нужные организму микро- и макроэлементы,
витамины, влияют на обмен липидов (холестерин, холевые кисло­
ты и т. д.). В связи с этим возможна систематизация ПВ по сорб­
ционной способности.
П о с о р б ц и о н н о й с п о с о б н о с т и (V I) П В подразделя
ют на:
катиониты:
сильные — более 3 мг-экв. сорбата на 1 г ПВ (ПВ рисовой луз­
ги, клевера, люцерны, салата и др.);
\
средние — 1—Змг ■
экв. сорбата на 1 г ПВ (сельдерей, ревень, лук
яблоки, морковь, баклажаны, ПВ сои, ПВ оболочек гречихи и дп у
слабые - до 1 мг экв. сорбата на 1 г ПВ (П В жома сахарной
™
, Целлюлоза жмыха виноградных семян, ПВ груши, гороха
аниониты:
сильные — более Змг экв. сорбата на 1 г ПВ (ПВ люцерны
клевера, столовой свеклы, виноградной лозы и др.)’
средние — 1—3 мг экв. сорбата на 1 г ПВ (П В оболочек гороха
оболочек гречихи, рисовой лузги, виноградных выжимок и др )•
слабые — до 1 мг экв. сорбата на 1 г П В (целлюлоза и целлолигнин жмыха виноградных семян и др.);
4
амфолиты:
сильные
оолее ^ мг-экв. сорбата на 1 г ПВ (ПВ виноградных I
■
ВЫЖИМОК. 11В люпепнм м пп V
.
средние
1 3 мг-экв. сорбата на 1 г П В (П В сахарной свек<
лы и др.);
^
^
I
слабые
до 1 мг-экв. сорбата на 1 г П В (П В оболочек горох*
и др.)*
Пищевые волокна входят в ежедневный рацион питания и иг­
рают важную роль, уменьшая всасывание, а в ряде случаев и уве­
личивая выведение радионуклидов по сравнению с естественным
выведением их из организма. Поэтому целесообразно классифи­
цировать ПВ по этому признаку.
П о р а д и о з а щ и т н ы м с в о й с т в а м (V II) ПВ разделяют на:
снижающие всасывание (накопление) радионуклидов — блокаторы:
..
3
слабые
отрубей, ПВ сахарной свек- I
лы и др.);
сРеДНие — 10 — 30 % (целлолигнин и холоцеллюлоза люцерны,
П В столовой свеклы, ПВ жмыха виноградных семян, ПВ кожуры
апельсина и др.);
сильные — более 30 % (альгинаты, ламинария, ПВ люцерны
кожуры лимона и др.);
увеличивающие выведение радионуклидов — декорпоранты:
слабые — до 5 % (пектиновые вещества некоторых видов расти­
тельного сырья и др.);
средние — 5— 20 % (ПВ люцерны, холоцеллюлоза и целлолиг­
нин люцерны и др.);
1
сильные — более 20 % (ламинария)
По с т е п е н и м и к р о б н о й а т а к у е м о с т и в пищева§ 1 тел ь н о м тракте (У1Н)ПВ целесообразно разделять на:
• ферментируемые (пектин, камеди, слизи, некоторые виды ге|лцеллюлоз);
| • плохоферментируемые (некоторые виды гемицеллюлоз, целI алоза).
•* По о с н о в н ы м м е д и к о - б и о л о г и ч е с к и м э ф ф е к т а м
I X) ПВ разделяют на:
• влияющие на обмен липидов (ПВ пшеничных отрубей, клеГра, виноградных выжимок, лигнин люцерны, гуар и др.);
‘ • влияющие на обмен углеводов (пектин, гуар, ПВ березы, поI эрожника и др.);
* • влияющие на обмен белковых веществ (глюкоманнаны из
эрней Егетигиза К. — семейство лилейных и др.);
• влияющие на обмен других веществ и соединений — ми[еральные вещества, витамины и т.д. (ПВ пшеничных отрубей,
>[В сахарной свеклы и др.).
I Иногда ПВ одного вида сырья могут влиять на обмен различ|ых веществ в организме, поэтому IX пункт классификации нужается в дальнейшем совершенствовании.
Изложенная систематика позволяет:
[ • реализовывать ПВ того или иного вида сырья, состава и дру: их показателей в качестве компонентов разных видов продуктов
штания;
• расширять возможности создания и выделения композицион­
ных видов этих добавок;
| • устанавливать взаимосвязь между строением, свойствами, мещко-биологической направленностью этих добавок;
• решать вопросы рецептуры и сбыта новых видов пищи.
12.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНЦЕНТРАТА ПИЩЕВЫХ
ВОЛОКОН ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ХЛЕБОПЕЧЕНИИ
Пищевые волокна можно непосредственно давать человеку в
рассыпном виде либо в виде таблеток или вводить их в количестве
5—10% в хлеб, булочки, печенье, мясные фаршевые изделия,
овощные консервы, различного вида пищевые концентраты, про­
дукты общественного питания.
В настоящее время представленный на рынке ассортимент хле­
бобулочных изделий значительно расширился за счет создания
новых сортов с повышенным содержанием ПВ. Рациональным
представляется использование в качестве источника диетических
волокон ПВ древесины, запасы которой неисчерпаемы. Такие ПВ
не оказали бы значительного влияния на вкус хлеба, с
вычный для потребителя, но при этом выполняли бы
профилактическую функцию: очищали желудочно-к
тракт от патогенной микрофлоры и токсических компон
ких, как тяжелые металлы.
Для решения этой задачи в М ГУП П проводилось и
ние влияния концентрата пищевых волокон целлюлозы
полученного из нетрадиционного растительного сырь
м, на свойства и качество хлебобулочных
изделий.
КПВЦ был получен в результате химико-ферментативного гид­
ролиза сосновых опилок (см. раздел 12.2) и имел слелуюптий со­
став, %: целлюлоза — 87; гемицеллюлоза — 11; лигнин — 2.
Введение новых ингредиентов в рецептуры пищевых продук­
тов возможно только после установления соответствия их функ­
циональных свойств технологическим требованиям. Поэтому про­
водился сравнительный анализ функциональных свойств КПВЦ,
пшеничной муки и отрубей. Результаты представлены в табли­
це 12.3.
ШЫШВ
,■ ■
12.3. Сравнительная характеристика функциональных свойств К П В Ц , отрубей
и пшеничной муки
КПВЦ
Отруби
Пшенич­
ная мука
Водосвязывающая способность, г Н 20 на 1 г про­
дукта
7,2
3,0
1,5
Жиросвязывающая способность, г жира на 1 г про
дукта
6,1
2,6
1,4
Сорбция метиленовой сини, м г на 1 г продукта
98
40
34
ЕзсНепсЫа со И
68 — 70
41— 44
3 0 -3 5
Рзеийотопаз у7иогезсепз
7 5 -7 7
3 7 -3 8
2 9 -3 1
74
2 9 -3 1
2 5 -2 7
Функциональное свойство
С орбционная сп особн ость по бактериальной на­
грузке на 1 г продукта, %:
8харку1ососсиз аигеиз
КПВЦ обладал высокой водо- и жиросвязывающей способно­
стями и небольшой растворимостью, что определило возможность
его введения в рецептуру хлеба, поскольку повышенная способ­
ность ПВ удерживать воду удлиняет сроки хранения и улучшает
структуру пищевой продукции.
Ярко выраженная способность препарата к сорбции патоген­
ной и условно-патогенной микрофлоры может придать хлебу лечебно-профилактические свойства.
I
КПВЦ обладает также сорбционной способностью по отноше1ию к ионам тяжелых металлов. Сорбируемость железа этим пре­
паратом составляет 79,1 %, меди — 37,6, кобальта — 29,1 и свин[да — 8,4 %.
| Полученный КПВЦ был включен в рецептуры приготовления
|слеба из пшеничной муки высшего сорта (в/с) (в качестве заме) чителя 5 и 10 % муки) и хлеба с отрубями (в качестве заменителя
5 и 10 % отрубей).
; В таблицах 12.4 и 12.5 представлены органолептические и фи­
зико-химические показатели качества хлеба, выпеченного с до­
бавлением КПВЦ.
В а р и а н т ы : 1 — пшеничный хлеб, в рецептуру которого до­
бавили КПВЦ в количестве 5 % общей массы изделия; 2 — то же,
но 10 %; 3 — хлеб с отрубями, в рецептуру которого добавлен
КПВЦ в количестве 5 % общей массы изделия вместо отрубей; 4 —
то же, но 10 %.
Контролем служил хлеб, изготовленный по традиционным ре­
цептурам пшеничного и хлеба с отрубями.
Внесение КПВЦ в количестве 5 % в рецептуры пшеничного и
хлеба с отрубями не снижает качества изделий (по физико-хими­
ческим и органолептическим показателям). Введение такого же
количества КПВЦ в рецептуру хлеба с отрубями даже способствует
формированию необходимой консистенции и улучшает его каче­
ственные показатели. Так, объем хлеба с отрубями с добавкой 5 %
КПВЦ увеличился на 15,8 %, возросли общая, упругая и пластич­
ная деформации на 27,4, 20,2 и 41,1 % соответственно. При этом
влажность, кислотность и пористость изделия практически не из­
менились.
Хлеб, выпеченный с добавлением 10 % КПВЦ, может быть ис­
пользован в лечебно-профилактических целях, но его физико-хи­
мические и органолептические показатели уступают контролю.
Однако его сорбционная способность выше по сравнению с конт­
ролем на 58 — 64 %.
Энергетическая ценность хлеба из пшеничной муки в/с состав­
ляет 80,2 кДж, тогда как аналогичный показатель хлеба, в рецепту­
ре которого 5 % муки заменено на КПВЦ, — 76,2 кДж, с заменой
10 % — 72 кДж, что на 5,1 и 10,2 % соответственно ниже энергети­
ческой ценности пшеничного хлеба.
Таким образом, результаты проведенных опытных выпечек
показали, что введение КПВЦ в рецептуры хлеба в количестве
5 % способствует снижению его энергетической ценности и при­
дает ему лечебно-профилактические свойства за счет высокой
сорбционной способности по отношению к условно-патогенной,
патогенной микрофлоре и тяжелым металлам без потери его ка­
чества.
п
ч>
ю
зр
I
т
X
ех
0
*1
о
5
_
и со
I
4)
С
о
а.
с
о
а «
Р. х
и х
Йр
I
э*
X
о.
0
*1
о
X
2
ш
а> а>
Н X
■
4>
X
* §
11
^ &
го
а>
ю
3 *
11
3I
4
&
го
а>
ю
5 х
^ 5
11
г &
со
4>
ю
X
* 5
зI
«5 &
со
а>
ю
X
* §
аз
X
а.
0
и1
о
аз
х
к
X
В
Я
%
со
С
Оа> 2 х
О X *=: X
к
I
&■
X
о,
0
*1
о
Р
2
О,
О
е
к
X
О
и
о
а
о
С
х
и
о.
о
*
н
и
в
ГГ
зх
2
X
ю
й>
6
3
2
с
X
о
э*
X
а
'р
о
о
о. X
03
о а> «=:
X Э" О)
Э*
о 2
о
о
I
ГГ
X
о*
о
*
о
Б Л
&
в
со и
и х
2
X
г
5
О
ев
«г
о.
*>
со
I
«
о
и
с
«
о
зх
X
о*
2 а
с
н
ев 2
о
в ев
а
О X
г* X
о
о- X с г
о о> х св
X :т е? со
о
(X
с
о
а
о
СХ2
зР
I
а>
С
О
а,
с
о
а
о
О. 2
-о
р
и
О
X
X
и
т
а>
С
О
сх
С
2
с
5
*
о
X
г
«г
2
н
ч
й>
*I
0
1
4
>
0
о
I
и эХ Г*Г
о 2
X
и н
о.
ев
0
а
эХ о
1
2 в
?
о
_
о
X х о «
ю 2 о А
о
*
0
и
о
ев
Й и ШX
эХ
2
эХ
2
х
ю
3
I
и
С
эХ
эх
С
О
I
I
&* н VI
5
I
3 | 00 С
О
а-)
4р и X
ев
&
с
о
3
о
о* *е
6Ц ш х
5 1
I
я
з I аи сао> 3 х
^ е* и X ь? X
п
0>
ю
ос
и
« «с
X
1 3 эх
г г
ев 2
о X
X
* X ю
с 2 о
X св
=; со >5
С
О
0
*1 о
о
X
* §
о
О
I
й>
I нI I
4
>
к в
*>
ВТ
о
о. и 2
н
5
*■
о
X
2
о
Н
эХ
<г
2
X
эX
р
и
ев
ь;
эХ
2
X
ю
и
2
н
Ь
;
о
X
*
О
р
о
со
о
эХ
2
X
&•
X
н
и
ев
«=:
О
«
2
X
ю
а>
2
Р
ь
;
0
X1
о
ш
и
со
5
и
>
<
ев
С
ев
н
а
>
со
Р
и
о
X
у
X
р
о
ев
ь;
0)
СП
239
Контрольные вопросы
1.
Какие биополимеры относят к пищевым волокнам (П В )? 2. Какова роль ПВ
в питании человека? 3. Каковы структура, физико-химические, физиологические
и морфологические свойства полисахарида целлюлозы? 4. Каковы аналогичные
свойства гемицеллюлоз? 5. Каковы свойства полимера лигнина и его комплексов
с углеводами? 6. Что представляют собой пектиновые вещества? 7. Какая система­
тика ПВ существует в настоящее время? 8. Каковы методы выделения ПВ из рас­
тительного сырья? Какие биотехнологические методы используют с этой целью?
9. Каким образом осуществляют делигнификацию целлюлозосодержащих матери­
алов? 10. Каковы свойства гемицеллюлазных ферментных препаратов? 11. Каковы
функциональные свойства ПВ? 12. Как используются ПВ в пищевой промышлен­
ности?
$
Г л а в а 13
РАДИОПРОТЕКТОРЫ
13.1. ПУТИ ПОПАДАНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В ОРГАНИЗМ
ЧЕЛОВЕКА
Чернобыльская авария развеяла миф о полной безопасности
«мирного атома» и показала, что нарушение требований безопас­
ности может привести к страшным последствиям, и только непрекращающийся рост народонаселения и связанное с ним обо­
стрение энергетической проблемы не позволяют в настоящее
время полностью отказаться от использования энергии атома в
мирных целях.
При нормальной работе АЭС, даже в непосредственной близо­
сти от станции, уровень радиации превышает естественный ра­
диационный фон менее-чем на 1 %, т. е. уровень радиации обыч­
ной почвы может оказаться выше. Однако на работающих АЭС,
во-первых, бывают аварии, а во-вторых, существует проблема без­
опасного захоронения радиоактивных отходов.
Радионуклиды, будучи захваченными в пищевые цепи экосис­
тем, могут избирательно накапливаться в некоторых организмах
или органах; здесь-то и может выявиться тенденция к концентра­
ции до таких доз, которые становятся токсичными либо для самих
организмов, либо для тех, кто питается ими.
Как правило, радионуклиды проникают в пищевые цепи с рас­
тениями (которые получают их из почвы с атмосферными осадка­
ми или пылью).
Процесс поглощения радионуклидов и их накопление на раз­
личных уровнях зависит от следующих факторов.
1. Период полураспада радионуклидов: наибольшее значен
имеют изотопы с длинным периодом полураспада, и особенно'
которые накапливаются в тканях: 903г (период полураспада
28 лет), накапливающийся в костях; 1311, концентрирующийся в
щитовидной железе (период полураспада — 8 дней) и
Сз (пери­
од полураспада — 30 лет), накапливающийся в мягких тканях
организма.
,
2. Очень высокая специфичность коэффициента^ концентра­
ции который у разных видов организмов даже в одной экосистеме
может колебаться от 1 до 200, доходя иногда до 1 500 000. Некото­
рые виды обладают такой способностью к накоплению радионук­
лидов, что могут становиться токсичными в совершенно безвред­
ной среде.
3. Содержание в окружающей среде минеральных элементов.
В пищевых цепях элементы окружающей среды вступают в конку­
рентные отношения, в таких случаях чем меньше содержание со­
ответствующих минеральных элементов в окружающей среде, тем
большее значение приобретают радионуклиды, способные их за­
менять в пищевых цепях.
4. Вид и возраст организмов. Микроорганизмы более чувстви­
тельны к а- и р-лучам, а крупные организмы — к у-лучам.^ М оло­
дые организмы поглощают интенсивнее и располагают большим
временем, чем старые, для необратимого накопления вредных ра­
диоактивных веществ.
___
Радионуклиды оказывают следующее воздействие на организм
человека:
ослабляют организм, замедляют его рост, снижают иммуни•рганизма и сопротивляемость инфекциям;
- уменьшают продолжительность жизни, сокращают показа­
тель естественного прироста из-за временной или полной стериразличными способами поражают гены, последствия чего
[вляются во втором или третьем поколениях,
оказывают кумулятивное (накапливающееся) воздействие,
вызывая необратимые эффекты.
Основными источниками поступления радионуклидов в орга­
низм человека являются пищевые продукты и вода.
Тяжесть последствий облучения зависит от количества по­
глощенной энергии (радиации), излученной радиоактивным ве1_Ц С С Т В ^)М
« | цв) # (
$
*
*** *
• V •
Снижение дозы поглощенного организмом облучения. Этого мож­
но достичь двумя способами. Первый заключается в фармакологически-физиологической стимуляции выведения с продуктами
жизнедеятельности уже попавших в организм радионуклидов.
Второй — в предотвращении адсорбции или реабсорбции радио-
241
нуклидов в желудочно-кишечном тракте. Снижение л т ы
“
° организмом облучения вторым способом о с у щ е с т в л я в
с помощью радиопротекторов.
уществляется
13.2. РОЛЬ РАДИОПРОТЕКТОРОВ В ВЫВЕДЕНИИ
РАДИОНУКЛИДОВ И СОЗДАНИИ РАДИОРЕЗИСТЕНТНОСТИ
ОРГАНИЗМА
иопротекторы. Это препараты, создающие состояние
искус
Наиболее эффективные радиопротекторы отн ося тся^ ™ ™
Несмотоя6н Т б Г " соединениям и индолилалкиламинам.
вш нпо ш ^
профилактики
овощей
перспективны
продукты переработки винограда, чая, кофе, фруктов и
Альфа-токоферол — жирорастворимый антиоксидант
инактиватор окислительных
радикалов. Применение токоферола максимально эффективно в
; комплексе с другими антиоксидантами — ретинолом, каротином,
аскорбиновой кислотой.
I
Хорошими радиопротекторными свойствами обладают наши
[повседневные продукты — овощи, фрукты, ягоды, особенно мор­
ская капуста, лук, чеснок, яблоки, морковь, свекла, вишня, слива,
[ смородина и др., содержащие пищевые волокна.
Активно влияют на кинетику обмена радионуклидов и снижа­
ют поглощенную дозу облучения у животных и человека пищевые
' волокна из кожуры лимона, люцерны, столовой свеклы и жмыха
виноградных семян.
Современная концепция радиозащитного питания базируется
на трех основных принципах:
• максимально возможное уменьшение времени нахождения
радионуклидов с пищей;
• торможение процесса всасывания и накопления радионукли­
дов в организме;
• соблюдение принципов рационального питания.
В условиях повышенной ионизирующей радиации важную роль
играют так называемые адаптогены — вещества, которые ускоряют
адаптацию организма к различным факторам окружающей среды.
К наиболее эффективным адаптогенам относят препараты эле­
утерококка, женьшеня, лимонника китайского, витамины, флавоноиды, витаминно-аминокислотные комплексы, некоторые мик­
роэлементы, биостимуляторы, коферменты и другие вещества.
После чернобыльской аварии возникла необходимость обога­
щения продуктов питания веществами, блокирующими всасыва­
ние радионуклидов, снижающими коэффициенты накопления их
в организме, ускоряющими выведение или повышающими устой­
чивость организма к ионизирующему излучению.
Пищевые продукты, обогащенные радиозащитными препара­
тами, должны отвечать ряду определенных требований: иметь хо­
рошие органолептические свойства, быть эффективными и удоб­
ными в применении, не нарушать процессы обмена веществ
(витаминов, белков и минеральных веществ), не оказывать токси­
ческого действия при длительном использовании.
Радиозащитный эффект таких продуктов питания обусловлен:
• наличием всех жизненно важных нутриентов, способных
обеспечивать нормальное функционирование всех органов и сис­
тем организма при действии различных неблагоприятных факто­
ров окружающей среды;
• наличием в их составе противорадионуклидных препаратов
радиоблокаторов и (или) декорпорантов;
• введением в состав продукта веществ, обладающих радиопро­
текторными свойствами.
Специальные продукты радиозащитного действия делят на две
большие группы:
1) натуральные продукты питания, в основном из сырья растительного происхождения: нерыбные продукты моря, фруктовоягодные, молочные, молочно-фруктовые, овощные продукты,
являющиеся ценнейшим источником витаминов, минеральных
солей щелочного характера, микроэлементов, различных углеводов, пищевых волокон (П В), органических кислот;
2) пищевые продукты и композиции, в рецептуры которых
внесены добавки известных и потенциально возможных блокаторов всасывания радионуклидов: альгиновая кислота и ее соли
(альгинат натрия или кальция), различные виды пектинов, пищевые волокна, смесь аминокислот, берлинская лазурь и др.
Пищевые волокна, пектины, альгинаты способны не только
уменьшить инкорпорирование радионуклидов, но и снижают риск
возникновения ряда заболеваний, а именно: рака толстой и пря­
мой кишки, геморроя, атеросклероза, сахарного диабета, желчно­
каменной болезни и др. В то же время избыточное потребление ПВ
и пектина ведет к брожению в толстой кишке и усиленному газо­
образованию с явлениями метеоризма, ухудшению усвоения белков,
жиров, кальция, железа и других минеральных веществ. Поэтому
считается, что потребление пищевых волокон не должно превы­
шать 25 — ЗОг/сут, пектинов — 2— 3, альгинатов — 6 —Юг/сут.
Для выведения радионуклидов из организма эффективно ис­
пользование препаратов пищевых волокон, полученных методами
биотехнологии. Биопектин, получаемый из пектинсодержащего
сырья при его обработке ферментными препаратами, обладает
способностью эффективного комплексообразования с тяжелыми
и радиоактивными металлами.
Наилучшие результаты, включающие снижение степени эте­
рификации пектина и увеличение уровня связывания стронция,
достигаются с использованием пектинэстеразы А. ам/атоп. Уста­
новлена обратная зависимость между степенью этерификации и
уровнем связывания стронция. Показано, что 2 — 3-часовой обра­
ботки пектина пектинэстеразой достаточно для получения деэтерифицированного препарата радиопротекторного действия. В оптамальных режимах действия препарата (рН 3,7, температура
37 С) степень связывания стронция достигает 92 % по отношению
к количеству свободных карбоксильных групп. Сопоставление
профилей сродства показывает, что пектиновые вещества связы­
вают ионы Са + и 8 г2+ прочнее, чем альгинаты. Полученные комплексообразователи на основе пектинов могут быть использованы
не только в составе пищевых продуктов, но и как самостоятель­
ные препараты для выведения радионуклидов, ионов тяжелых ме­
таллов и других токсических веществ.
I
I
|
]
1
1
I
1
I
I
I
Украинскими исследователями разработана технология полу­
чения полисахарида аубазидана, способного выводить из организ­
ма радионуклиды. Его получают путем синтеза культурой аспорогенных дрожжей АигеоЬазШшт риИШапз при культивировании их
на углеводсодержащих средах.
А у б а з и д а н (С 6Н 10О5) — это полисахарид, молекулярная
масса которого варьирует от 6 •106—15 • 106 Да. Он представляет
собой аморфный порошок бежевого цвета, без запаха, с темпера­
турой разложения 280...300-С, при высушивакии до абсолютно
сухой массы теряет способность растворяться в воде.
На основании его физико-химических свойств этот полисаха­
рид вводят в рецептуры различных пищевых продуктов: напитков,
соков, хлебобулочных, желейных, кондитерских изделий, молоч­
ных и диетических продуктов. Аубазидан придает изделиям при­
ятный вкус, стабилизирует белковые заменители, играет роль мяг­
ких пищевых волокон, снижает калорийность. Оптимальная доза
аубазидана — 2 г, позволяющая снизить накопление радиоцезия и
радиостронция соответственно на 28,9 и 68,9 %.
Методом гидролиза (химического и ферментативного) при­
родного растительного сырья (целлюлозы) получена пищевая до­
бавка к а р б ю л о з а . Благодаря присутствию карбоксильных
групп карбюлоза образует нерастворимые малотоксичные комп­
лексы с солями поливалентных тяжелых металлов (барий, медь,
свинец, серебро) и радионуклидами.
Клинические исследования показали высокую эффективность
карбюлозы при выведении радионуклидов (цезий-137, строн­
ций-90, радий-226 и др.) из организма пациентов.
Карбюлозу в настоящее время уже используют как пищевую
добавку в кондитерской промышленности при производстве зе­
фира, пастилы, начинки для вафель. Внесение 0,5—1,5 % карбю­
лозы в муку положительно влияет на качество хлеба.
Пектин обладает активной комплексообразующей способно­
стью по отношению к радиоактивному кобальту, стронцию, це­
зию, цирконию, иттрию и другим металлам, образуя нераствори­
мые соли пектиновой и пектовой кислот.
Наиболее благоприятные условия для образования комплексов
пектинов с металлами создаются в кишечнике при рН среды от 7,1
до 7,6. Объясняется это тем, что при увеличении рН пектины деэтерифицируются и происходит более интенсивное взаимодеиствие между кислотными радикалами пектиновой молекулы и
ионами металлов.
Кислая среда (рН 1,8—2) желудочного содержимого снижает
способность высокометоксилированного пектина связывать радио­
нуклиды. В этих условиях более активным оказывается низкометоксилированный пектин. Известно, что стронций, находящийся в
растительной пище, отличается высокой подвижностью и может вы­
тесняться под действием соляной кислоты желудонного сока, вхо­
дить в ионное, лепсоадсорбируемое состояние и поглощаться пекти­
нами. В этом случае низкометоксилированный пектин деградирует
в желудочно-кишечном тракте в значительно меньшей степени, чем
высокометоксилированный, активность его начинает проявляться
уже в желудке, что означает более ранний и продолжительный кон­
такт с радионуклидами. Продолжительность комплексообразования пектинов с радионуклидами составляет 1— 2 , реже 3— 4 ч.
Для выделения пектина из отходов растительного сырья эф­
фективно использование ферментных препаратов, что существен­
но упрощает технологический процесс и его аппаратурное оформ­
ление, а также снижает себестоимость (см. раздел 12. 1.2 ).
Контрольные вопросы
1. Почему возникла необходимость создания препаратов-радиопротекторов?
2. Какие вещества относятся к радиопротекторам? 3. Какова современная концеп­
ция радиозащитного питания? 4. Какие группы специальных продуктов радиозащитного действия существуют в настоящее время? Каковы свойства основных
представителей этих групп? 5. Какие методы биотехнологии используются для по­
лучения пищевых добавок, выводящих радионуклиды из организма человека?
6. Как пектин выводит радионуклиды из организма человека?
Г л а в а 14
ЭНТЕРОСОРБЕНТЫ И БИОСОРБЕНТЫ
Э н т е р о с о р б е н т ы . — продукты или препараты, используе­
мые для связывания метаболитов, токсинов и других веществ в
пищеварительном тракте. Они имеют большое значение при ре­
шении проблем регулирования питания человека и выведения из
организма экологически вредных веществ, профилактике и лече­
нии ряда заболеваний.
14.1. МЕХАНИЗМ ЛЕЧЕБНОГО ДЕЙСТВИЯ
ЭНТЕРОСОРБЕНТОВ
В настоящее время рассматривают четыре возможных механиз­
ма лечебного действия энтеросорбции: *
•
выделение токсических веществ из крови в кишечник и даль­
нейшее их связывание сорбентом;
• очистка пищеварительных соков желудочно-кишечного трак­
та от токсических веществ и, следовательно, устранение их попа' дания в кровь;
• изменение липидного и аминокислотного состава содержимо­
го кишечника путем избирательного поглощения сорбентом амино’ кислот с разветвленной цепью, свободных жирных кислот и т. д.;
• удаление токсических веществ, образующихся в кишечнике,
таких, как индол, скатол, фенолы, аммиак, бактериальные токси­
ческие вещества, и ослабление таким образом функциональной
нагрузки на печень.
К сорбентам относятся адсорбенты, абсорбенты, ионообмен­
ные материалы и комплексообразователи. Каждый из сорбентов
имеет свои особенности и отличительные свойства.
Для пищевых добавок, используемых в качестве энтеросорбен­
тов, характерны твердая структура и значительная физическая,
ионитная сорбция. Один из старейших энтеросорбентов, действие
которого основано на физической сорбции, — активированный
уголь, а ионной сорбции — пектиновые вещества и растительные
продукты, содержащие их в большом количестве.
*
14.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНТЕРОСОРБЕНТОВ
И ИХ СВОЙСТВА
Энтеросорбенты из растительного сырья можно получать хи ­
м и ч е с к и м и и б и о л о г и ч е с к и м и методами.
Наиболее известный энтеросорбент, получаемый химическим
способом, — лигнин. Учеными ВНИИгидролиза и Московского
государственного университета леса разработана и освоена техно­
логия производства из гидролизного лигнина оригинального пре­
парата медицинского назначения — энтеросорбента, получившего
название «полифепан»: от слов полимер и фенилпропан (основно­
го звена макромолекулы лигнина). Для его производства исполь­
зуют гидролизный лигнин, образующийся после жесткого режи­
ма гидролиза и вследствие этого содержащий 8 — 20 % целлюлозы.
Клиническими испытаниями подтверждено, что этот препарат яв­
ляется высокоэффективным детоксикационным средством. Он
рекомендован не только для лечения заболеваний, связанных с
желудочно-кишечными инфекциями, но и для снятия интоксика­
ций, сопровождающих различные патологические состояния.
Полифепан обладает рядом преимуществ по сравнению с изве­
стными энтеросорбентами (карболен, активированный уголь): он
отличается большей сорбционной способностью по отношению к
микроорганизмам и токсинам; не травмирует слизистые оболочки
кишечного тракта
(гидролизный лиг
удалять
фенола
активированных
ряд
биологических растворов значительные количества
холестерина, мочевины, креатинина и в меньшей степени — об­
щие липиды, белки и ГЛЮ КОЗУ (та(лп М П
Сорбция физиологически активных веществ лечебным лигнином
Сорбируемый
компонент
Концентрация сорбата, ммоль/дм
Молеку
лярная
масса
исходная
Холестерин
Количество
сорбирован­
ного веще­
ства
после
сорбции
разница
в концен­
трации
мг/г
5,54
3,33
41
38
Мочевина
60
9,41
5,9
3,51
6
47
Креатинин
113
0,15
0,12
0,03
0,12
22
6,21
4,6
1,61
20,8
9
8,5
7,7
0,8
4,6
9,4
81,8
76
5,8
186
7
Липиды общие
Глюкоза
180
Общий белок
ногти 1^ ™ 1е яв0иства лечебного лигнина зависят от его влаж
ности. Клетки образца с влажностью 80% сорбируют 810910 млн/г, воздушно-сухих
аосолютносухого с о с т о й - Ш - Ш ^ н / г 92' высушешшх«
Лечебный лигнин проявляет сорбционную активность к ионах
-----------------------------------
с
^ о д е о ^ ^ Т2 0 Г В; Л КИХ’ ™ МеД? ’ СВИНецИкадмий-Лшобразцов
содержащих 20 % целлюлозы, сорбция свинца составляет 0,04 г -ж »
- ° '025’ меди - 0,01 г-ион на 1 г сорбента
классу остро токсичных
ществ.
Целлюлоза также обладает
ляров
и развитую систему капил
ов биологической природа
отраслях промышленносп
еще в /и-е годы прошлого века, л о особенно
следние 3 - 5 лет. В качестве сырья для получения
сорбирующих препаратов предлагают хитин, хитоза
248
ную биомассу. Клетки микроорганизмов имеют ряд преимуществ
как основа для получения сорбирующих препаратов:
позволяют более полно утилизировать производственные от­
ходы;
имеют сравнительно низкую стоимость, особенно если явля­
ются отходом того или иного производства;
•
обладают высокой или, по меньшей мере, технологически до­
статочной сорбционной способностью по отношению к широко­
му спектру химических соединений различной природы;
их присутствие может быть характерным для стандартного
проведения оптимизируемого процесса.
Сотрудниками М ГУП П и ГосНИИсинтезбелок разработана
технология биосорбентов, представляющих собой изолированные
клеточные оболочки дрожжей ИсЫа тетЬгапае/ааепз и Юиууеготусез
/га&Нз, выращенных на этаноле и молочной сыворотке соответ­
ственно (рис. 14.1).
Дезинтеграция клеток
Термическая
обработка
Отделение оболочек
от гомогената
Обработка
биомассы
литическими
ферментами
I
I
I
Промывка оболочек
Обработка
этанолом
Обработка
смесью
хлороформэтанол
Промывка
I
Заморозка
I
Лиофилъная
сушка
ОКО
■
I
IТ
Заморозка
Отделение
лизированных
клеток
Г
Распылитель- Обработка
|
ная сушка
буфером
Промывка
Лиофилъная
|
|
I
сушка
ОК-2
Обработка
Распылитель1
протеиназой К
ная сушка
ОК-1
1
Промывка
ОК-7
1
Заморозка
♦
♦
Промывка
Обработка
1
1
Лиофилъная
буфером
Обработка
сушка
1
ЫаОН
Обработка
1
протеиназой К
ОК-6
1
Промывка
1
Промывка
1
Заморозка
1
Заморозка
1
Лиофилъная
1
Лиофилъная
сушка
сушка
1
* | *
ОК-5
ОК-4
а
-
А
получения различных модификаций биосорбента
I
Промывка
Заморозка
Лиофилъная
сушка
I
ОК-8
Биосорбент обладает способностью связывать из соко- и виноматериалов определенное количество фенольных летучих соеди­
нений, тяжелых металлов и ядохимикатов.
Эксперименты с препаратами, полученными различными ме­
тодами обработки клеточных оболочек, показали, что содержание
белка в составе клеточных стенок является доминирующим фак­
тором сорбционной активности по отношению к тяжелым метал­
лам. Доказана также способность дрожжевого биосорбента (в кон­
центрации 5 г/дм3) удалять из виноградного сусла остатки пести­
цидов различной химической природы, применяемых при обра­
ботке виноградников (табл. 14.2).
Эффективность различных препаратов О К при связывании цинеба
ном сусле
Препарат О К
Время обработки, ч
ОК-1
35,5
60
68,2
ОК-3
17,3
33,6
35,5
ОК-5
33,6
47,3
54,5
ОК-8
7,2
50,9
50
П р и м е ч а н и я : 1. Концентрация цинеба в сусле — 6 мг/дм3.
2. Концентрация биосорбента — 0,5 г/дм3.
^посооность биосорбента удалять из виноградного сусла остат­
ки ядохимикатов и тяжелые металлы имеет первостепенное значего пита ВЬфаботки виноградного сока для детского и диетическоИмеется достаточно фактических данных, свидетельствующих
о наличии у дрожжей рода ЗассНаготусез способности оказывать
благотворное влияние на симбиотическую микрофлору человека
за счет сорбционной способности маннанов, глюканов и хитина
клеточных стенок дрожжей. Полученные в М ГУ П П белково-угле­
водные концентраты из биомассы хлебопекарных дрожжей содержат в своем составе 2 0 - 2 1 % углеводов (в зависимости от
тапа предобработки исходной биомассы дрожжей), в том числе
™ ™ СахЗ?иды « и ° ™ ° й стенки (глюканы и маннаны). Они обла­
дают сорбционнои способностью по отношению к ионам тяжелых
металлов: сорбируемость свинца составляет 25,6%, к а д м и Г ^
20,82 % по отношению к содержанию в растворе (суспензию БАД
250
в солевом растворе выдерживали при температуре 36...37 "С в те­
чение 1 ч).
Дрожжевые белково-углеводные концентраты могут быть ис­
пользованы для введения в функциональные продукты питания,
так как обладают следующими свойствами:
• задерживают поступление вредных веществ (в частности,
тяжелых металлов) из пищеварительного тракта внутрь орга­
низма;
• ускоряют выведение тяжелых металлов и патогенной микро­
флоры из организма;
• защищают организм от вредного воздействия токсических ве­
ществ, в том числе тяжелых металлов и токсинов, выделяемых па­
тогенной микрофлорой.
Полученные белково-углеводные концентраты способны сор­
бировать патогенную и условно-патогенную микрофлору.
Сорбционная способность трех вариантов белково-углеводных
концентратов представлена на рисунке 14.2: вариант 1 — концент­
рат, полученный из нативной биомассы дрожжей; вариант 2 —
концентрат, полученный с предобработкой биомассы дрожжей
ферментным препаратом Поликанесцин; вариант 3 — концентрат,
полученный с предобработкой биомассы дрожжей ферментным
препаратом Лизофунгин. В качестве адсорбатов использовали вод-
Исходное Вариант Вариант
кол-во микро1
2
организмов
Вариант
3
ЕЗ Е соН
О Р$, Яиоге$сеп$
ЕЯ 5л а игеи5
Рис. 14.2. Способность белково-углеводных концентратов к сорбированию патоген
ных и условно-патогенных микроорганизмов
ныв суспензии чистых культур микроорганизмов Е. соИ, Рз./1иогезсепз, 51. аигеиз.
,
Как видно из рисунка 14.2, все варианты белково-углеводных
концентратов обладают способностью адсорбировать палочковидные грамотрицательные бактерии (Е . соН и Р$./1иоге$сепз) и грамположительные кокки (5У. аигеих) . Добавляя в суспензию микроорганизмов, содержащую 9 • 1(Р клеток/см3, 5% белково-углеводной добавки, можно снизить количество кишечной палочки
на 49— 57 %, стафилококков — на 57— 67, а псевдомонад — на
6 2 -6 7 % .
$
Одним из наиболее стабильных дешевых источников получения сорбента хитина является мицелий плесневого гриба АзрегрПиз
м$ег — отход производства лимонной кислоты. Хитин находится в
клеточной стенке гриба в виде разветвленного сополимера, основная цепь молекул которого представлена хитином, а боковые —
глюканом. Мицелий содержат 81,6—94,7 % хитина, 0,5— 15,1 глюкана и 0,7— 3,3 % меланина.
Разработана технология выделения хитинсодержащей пищевой добавки (хитинглюканового комплекса — Х ГК ) из мицелиальной биомассы этого гриба. Гидролиз биомассы НС1 при сле­
дующих условиях: концентрация кислоты — 5— 10 %, время реакции — 5 — 6 ч, температура — 100 °С; затем деминерализация с
последующей фильтрацией и промывкой осадка, депротеинизация,
нейтрализация с последующей фильтрацией и промывкой, сушка
готового продукта. Х ГК обладает более высокой сорбционной спо­
собностью, чем хитин и хитозан. Наибольшей сорбционной спо­
собностью обладают частицы размером 400 мкм, предварительно вы­
сушенные при 50 вС в течение 1 ч. Содержание основных веществ
в продукте не должно быть ниже 60 %, содержание влаги не доджно превышать 10 %. Токсикологические, микробиологические и
гигиенические исследования подтвердили безвредность продукта.
Х ГК обладает высокой способностью сорбировать ионы тяже­
лых металлов — Сг2+, Си2+, Н§3+, РЪ2+, Ре3+, а также радионукли­
ды, в частности 908 г и 137С$. При этом образцы комплекса практи­
чески нетоксичны, и при хроническом энтеральном введении
препарата показано отсутствие общего, сенсибилизирующего и
мутагенного действия. Х ГК рекомендован для использования в
качестве пищевой добавки в основном при выработке хлебобулоч­
ных изделий.
В решении проблемы регулирования питания человека и вы­
ведения из организма вредных веществ существенное значение
имеет создание биотехнологии новых сорбентов для пип текой про­
мышленности и медицины, обладающих широким спектром сорб­
ционных свойств, невысокой стоимостью, безопасностью и дос­
тупностью для широких слоев населения.
I
I
I
■
I
■
1
1
I
1
I
I
|
I
I
I
1
I
I
I
I
!
Контрольные вопросы
1 Что такое энтеросорбенты? 2. Каков механизм лечебного действия энтеро­
сорбции? 3. П о каким показателям характеризуются энтеросорбенты? 4. Какими
методами получают энтеросорбенты из растительного сырья? 5. Как получают
биосорбенты из дрожжей? 6. Как получают хитинглюкановый комплекс?
Г л а в а 15
ПОДСЛАЩИВАЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Вещества сладкого вкуса с давних времен использовались чело­
веком при приготовлении пищи.
По строгому определению к этим пищевым добавкам относят
вещества несахарной природы, которые придают пищевым про­
дуктам сладкий вкус, однако на практике в эту группу часто вклю­
чают все сладкие добавки.
За последние 10 лет потребление подсластителеи синтетичес­
кого происхождения высокой интенсивности возросло на 56 % (с
8 5 млн до 13,3 млн т). Основные потребители — страны Азии
(50 %), Северной и Южной Америки (30 %) и Европы (16 %). Сре­
ди отдельных подсластителей доминируют: сахарин (особенно в
странах Азии), аспартам (страны Америки), цикламатьь ацесульфан-К, сукралоза, алитам. Потребление подсластителеи с высо­
ким сахарным эквивалентом увеличивается в среднем на 5 % в год.
15.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДСЛАЩИВАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
Существуют различные классификации подслащивающих ве­
ществ: по происхождению (натуральные и искусственные), кало­
рийности (высококалорийные, низкокалорийные, практически
некалорийные), степени сладости (подсластители с высоким, низ­
ким сахарным эквивалентом), химическому составу и т. д. Одна из
возможных классификаций приведена на рисунке 15.1.
Сахароза — важнейший углевод, обладающий сладким вкусом,
содержится в ягодах, плодах, винограде, соках, сахарном тростнике, свекле и т. д.
- „
___ ^
Сахарозу выделяют водной экстракцией из стеблей сахарного
тростника или корней сахарной свеклы, экстракты фильтруют,
фильтраты очищают, удаляют примеси и получают сахарный песок или рафинад путем кристаллизации.
Полисаха­
риды. Смеси
Инвертный сироп
Патоки
Глюкозофруктозные
сиропы
Моносаха­
риды
Сахароза
Мальтоза
Лактоза
Пищевые
продукты
Синтетические
(искусственные)
I
Сахарин
1 Цикламат
Сорбит I I
Аспартам
Маннит I I Ацесульфам
Ус ал
Ксилит I I
Мальтит I I Глицерин
Лактит
I С укралоза
I
Алитам
I Перилартин
I
Отизон
1
Неотам
Глюкоза
Фруктоза
Галактоза
Натуральные
1
1 I Моналин
1 Миракулин
т т ■■
I I Стевиозид
I I Тауматин
1 I ДегидрохалI I
коны
1 I Глицирризин
I
Пищевые добавки
(подсластители)
Сахарозаме
Рис. 15.1. Классификация сладких веществ
Д0 ( ^
б«
^
Ы населением достаточно велико. В Р Ф оно
достигает 70—100 г на 1 человека в день. Потребление избыточного
количества сахара нарушает обмен углеводов, приводя к серьез­
ным заболеваниям, например диабету.
. „ „ Р целью снижения потребления населением сахарозы в настоя­
щее время во всем мире ведутся исследования по поиску ее п о и родньк заменителей и созданию синтетических.
Среднюю сладость сахарозы принимают за единицу а эти значе­
ния для ее заменителей выражают по отношению к ней (табл. 15.1).
вяя сладость заменителей сахара (по отношению к сахарозе)
Заменитель
Сорбит
Маннит
Ксилит
Средняя
сладость
Заменитель
Средняя
сладость
0,6
Глицирризин
100
0,7
Ацесульфам
150
1
Огизон
1 5 0 - 300
Заменитель
Средняя
сладость
Заменитель
Средняя
сладость
Высокофрукгозные сиропы
1
Ацесульфам-К
1 5 0 - 300
Мальтоза
0,46
Аспартам
200
фруктоза
1,2-1,5
Стевиозид
200 - 300
Э-манноза
0,59
Сахарин
300
Цикламат
4 5 -5 0
Оксим В
450
Галактоза
0,63
Периларгин
Тауматин
3000
Сахарол
1 Неотам
1300-2000
200-300
6000-12000
К ним предъявляются следующие требования:
• низкая энергетическая ценность;
• полная безвредность;
• отсутствие постороннего привкуса;
• устойчивость в технологических процессах, при хранении и
транспортировке;
• хорошая растворимость;
• невысокая стоимость.
Основными заменителями сахарозы являются природные
подслащивающие вещества — глюкоза и фруктоза. О-глюкоза
широко применяется в пищевой промышленности при про­
изводстве диетических продуктов, безалкогольных напитков,
шоколада и др. Она содержится в меде, виноградном соке, в со­
ках различных фруктов. Ее получают путем ферментативного
или кислотного гидролиза крахмала кукурузы, злаковых куль­
тур или картофеля с последующим выделением, очисткой и
сушкой.
Э-фруктоза также входит в состав меда, сока ряда фруктов и
ягод. По сравнению с другими моносахаридами она обладает
рядом важных для переработки в пищевые продукты свойств: хо­
рошей растворимостью, гигроскопичностью, низкой вязкостью и
устойчивостью растворов, способностью усиливать вкус и аромат
продуктов. Фруктоза находит широкое применение в кондитерс­
кой и консервной промышленности, при производстве безалко­
гольных напитков, овощных йогуртов, соков, пудинговых смесей.
Ее получают методом экстракции из некоторых видов раститель­
ного сырья и кристаллизацией из гидролизатов сахарозы. В насто­
ящее время выпускают фруктозные сиропы с содержанием фрук­
тозы 90— 95 %.
За рубежом широко используются в кондитерской, хлебопе­
карной, консервной, молочной отраслях промышленности, при
производстве напитков, сиропов и других продуктов жидкие сиро­
пы различного состава, включающие сахарозу, инвертный сахар,
декстрозу.
Сахарные спирты (О-сорбит, О-ксилит) — бесцветные твердые
вещества, хорошо растворимые в воде, используются в кондитерс­
кой и консервной отраслях промышленности для приготовления
продуктов для больных диабетом, поскольку при их усвоении не
требуется инсулин.
/л
Сорбит в организме превращается в фруктозу, способствует
выделению желчи и желудочного сока, улучшает перистальтику
кишечного тракта. Смесь сахарозы с полиолами, например с сор­
битом, используется при получении жевательных резинок. Гидро­
лизаты крахмала также комбинируют с полиолами и яблочной
кислотой. К их недостаткам относится выделение теплоты при
растворении, что снижает их освежающее действие.
В качестве подслащивающих веществ за рубежом используют и
растительные белки, среди них выделяемый из тропического рас­
тения Юскагйасеа АиЫЦса семейства 5аро(асеае гликопротеид
миракулин. Это белковое вещество обладает широкой вкусовой
гаммой — от резко кислого вкуса лимонного сока до вкуса сладко­
го напитка с цитрусовым привкусом.
Углеводы, формирующие молекулу миракулина, представлены
арабинозой, ксилозой, галактозой, рамнозой и фруктозой.
Сладким вкусом обладают гликозиды плодов и других расте­
ний. Флавоны плодов цитрусовых после каталитической гидроге­
низации становятся сладкими. Этот процесс стал основой для
синтеза подслащивающих веществ. В результате из нарингина,
выделяемого из кожуры, грейпфрутов, получают неогесперидиндигидрохалкон, обладающий сладким вкусом; он в 300 раз слаще
сахарозы. Этот продукт вырабатывают в С Ш А и применяют при
производстве жевательной резинки, зубной пасты, аэрозолей.
К другим природным подслащивающим веществам относятся
глицирризин, стевиозид, тауматин и др.
Сахарозаменитель стевиозид получают из листьев растения стевии (А еу га геЬаиШапа), растущего в Парагвае. Его также культиви­
руют на Черноморском побережье. Молекула стевиозида состоит
из трех молекул глюкозы и одной молекулы безвкусного агликона.
На основе листа стевии разработаны технологии для выработки •
печенья затяжного, сахарного, сдобного, пряников, пирожных,
мармелада, желейных и сбивных конфет.
Самый сладкий заменитель — тауматин — соединение белково­
го происхождения; его получают экстракцией из плодов растения
ТкаитШососсиз йатеШ.
15.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОДСЛАЩИВАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
,
Производство одного из первых синтетических подслащи,'й ю щ и х веществ — сахарина — было организовано еще в 1884 г.
Натриевая соль сахарина обладает сладким вкусом, превосходя■дим сахарозу в 500 раз; она хорошо растворима в воде и в спирте.
Захарин прошел проверку на токсичность и разрешен ФАО для
Применения во всех странах как синтетическое подслащивающее
[ зещество в количестве 15 мг/кг при производстве кондитерских
изделий, диетических сыров, напитков для больных диабетом или
;оответственно 2,5 мг на 1 кг массы взрослого человека в сутки.
В настоящее время сахарин вытесняется новыми низкокало­
рийными сахарозаменителями: пептидами, получившими назва­
ние (по одной формирующей их аминокислоте) аспартамов:
Н21Ч— СН - С01ЧН -
с н - СООСН,
>1-Ь-а-Ь-фенилаланинметиловый эфир
Сладкие дипептиды — аспартамы индифферентны к микроор­
ганизмам и могут быть использованы как пищевые добавки. Они
безопасны при потреблении диабетиками, не вызывают развитие
кариеса зубов, нетоксичны, неканцерогенны и разрешены к ис­
пользованию в пищу.
Аспартамы выпускают в гранулированном и порошкообразном
виде и применяют для изготовления газированных и негазирован­
ных напитков, кондитерских изделий, жевательной резинки, дже­
мов, повидла, конфитюров.
В пищеварительном тракте происходит гидролиз аспартама на
две аминокислоты. Аспартам устойчив при комнатной температу­
ре, в таких условиях не теряет стабильности в течение 5 лет. При
нагревании выше 150 °С он распадается, поэтому аспартам воз­
можно использовать при подслащивании продуктов, не требую­
щих термической обработки, например мороженого и крема. Ас­
партам (торговое название Нутрисвит) широко используют при
производстве диетических напитков.
Триптофан — незаменимая аминокислота, в 25 — 50 раз слаще
сахарозы. Его производные также обладают сладким вкусом, в
том числе Э-б-трифторметилтриптофан, Б - 6 -хлортриптофан
(в 1300 раз слаще сахарозы) и др.
За рубежом широко используют различные синтетические сахарозаменители с высоким коэффициентом сладости (ацесульфам-К, цикламаты, перилартин, отизон, неотам и др.).
Таким образом, число подслащивающих веществ, используе­
мых в производстве продуктов питания, достаточно велико. При­
родные подслащивающие вещества в основном безопасны для
здоровья человека, использование же синтетических требует п н я .
тельной дозировки и ограниченного применения.
«я
Биотехнологическими методами получен ряд весьма эффектив­
ных продуктов, заменителей сахарозы. Так, из растения ТЪаитшососсиз ЛатеШ, произрастающего в Судане, в клетки Е. со И был
трансплантирован ген, детерминирующий синтез сверхсладкого
белка тауматина. Рекомбинантная бактерия стала продуцентом
сладкого белка, который производят на нескольких биотехноло­
гических заводах и применяют в пищевой промышленности в
качестве искусственного подсластителя. Из южноамериканского
растения 51ем1а геЬаиШапа в клетку Е. соИ трансплантирован ген
сладкого белка стевиозида. С помощью генной инженерии или
путем совмещения микробного синтеза с химической трансфор­
мацией микробных метаболитов получен ряд эффективных под­
сластителей.
Рассмотренный ранее дипептид аспартам образован молекула­
ми фенилаланина и аспарагиновой кислоты; обе молекулы можно
синтезировать микробиологическим путем, а аспартам из этих мо­
номеров — с помощью ферментов.
На основе фруктозы создается новый класс подсластителей —
заменителей сахарозы, фруктозилолигосахаридов, в состав кото­
рых входят от 2 до 5 остатков фруктозила. Они не разрушаются
в организме человека, имеют сладкий вкус и безвредны. Про­
дуцируют их микроорганизмы, содержащие фруктозилтрансферазу (представители родов Азрег%Шиз, Ризапит, АигеоЬазШшт).
Создан полунепрерывный биотехнологический процесс на основе
иммобилизованных в .геле альгината кальция ( 2 %-го) клеток
АигеоЬазШшт риПи1апз. Клетки продуцента осуществляют кон­
версию сахарозы в течение 60 сут при температуре 50 °С, рН 5,5
и скорости протока 0,05 ч-1. Выход фруктозилолигосахаридов со­
ставляет 55 %.
Перспективным направлением является использование гидролизатов крахмала (мальтин, мальтодекстрин, мальтозная патока) в
качестве сахарозаменителей в продуктах питания, особенно функ­
ционального назначения.
В технологиях этих продуктов, разработанных во ВН И И крахмалопродуктов, используют картофельный и кукурузный крахмал.
Катализаторами процесса гидролиза крахмала являются амилолитические ферментные препараты как отечественного, так и
зарубежного производства. На стадии разжижения крахмала при­
меняют водный экстракт сухого ячменного солода, обладающий
а-амилазной, р-амилазной и глюкоамилазной активностями. В ка-
■
■
:стве бактериальной а-амилазы используют отечественный фер1 рентный препарат Амилосубтилин Г10Х, обладающий также неД зяьш ой протеолитической, Р-глюканазной и глюкоамилазной
Щм сгивностями. На стадии ферментативного осахаривания разжиЩ енного крахмала применяют водный экстракт ячменного солода,
® также ферментный препарат Зрегуше ВВА.
Ж При применении экстракта ячменного солода получают мальЩ озную патоку с низким содержанием глюкозы и высоким содер­
ж анием мальтозы. Однако при этом цветность гидролизатов воз■ астает в связи с увеличением в гидролизате массовой доли белка
В о 0,45 %. При применении ферментного препарата Зрегуше ВВА
№ нижается продолжительность осахаривания, в гидролизате содерН сится значительно меньше глюкозы — соответственно ее массоВ юй доле в разжиженном крахмале.
Ц
Согласно разработанным техническим условиям на мальтоз■ гую патоку возможно получение трех видов этого продукта, отли­
вающ ихся углеводным составом, %:
I
I
Щ
■
В
Глюкоза
Мальтоза
Мал ьтотриоза
Высшие полисахариды
Марка А
Марка Б
Марка В
2,5— 7
39— 52
16— 26
Не более 2,5
48— 55
1 2 -2 1
По балансу
15— 20
Не менее 50
8 -1 6
Мальтозная патока с низким содержанием глюкозы (марки А)
менее гигроскопична, чем карамельная патока, что обусловливает
I ее применение в кондитерском производстве для получения тверI дой карамели.
р
Мальтозную патоку марки Б используют как патоку специаль­
ного олигосахаридного состава при производстве детского питаГ ния на молочной основе. Этот компонент играет двоякую роль:
I как подсластитель (заменитель свекловичного сахара) и как хоро‘ шая питательная среда для бифидобактерий.
I
Мальтозная патока усваивается организмом с меньшей скоросII тью, чем глюкоза, благодаря чему достигается более равномерная
1 гликемическая нагрузка на организм, т. е. поддерживается постоI янный уровень глюкозы в крови.
В последние годы возрос интерес к изучению инулинсодержа­
щих растений и созданию научных основ их переработки в связи
с созданием диетических и лечебно-профилактических пищевых
продуктов. Одним из нетрадиционных видов инулинсодержаще! го сельскохозяйственного сырья является якон. Это пищевая и
кормовая культура горных районов Анд. Начало интродукции
якона в России было положено в 1995 г. Корнеплоды якона содер­
жат углеводы в форме полифруктозида — инулина и свободных
моносахаридов — глюкозы и фруктозы.
Специфический фермент инулиназа катализирует расщепле­
ние гликозидных связей в инулине с образованием главным обра­
зом О-фруктозы. В связи с этим был исследован ферментативный
гидролиз инулина, содержащегося в яконе, с помощью высокоактивного продуцента инулиназы штамма дрожжей К1иууеготусез
тагх(апш У-303, обладающего также высокой инвертазной актив­
ностью.
При оптимальных условиях (рН 4,5 и температуре 40 °С ) фер­
мент из дрожжей К. тагхгапиз способен гидролизовать 95 % ину­
лина до фруктозы. Полученные гидролизаты из якона могут быть
применены для получения глюкозно-фруктозных сиропов, пюре,
в качестве добавок и заменителя сахара при производстве хлебо­
булочных и кондитерских изделий.
Контрольные вопросы
,
,
’
|
V |
1. Как классифицируют подслащивающие вещества? 2. Какие требования
предъявляют к сахарозаменителям? 3. Какие вещества относятся к природным
подсластителям? 4. Какие заменители сахарозы получают методами биотехноло­
гии? 5. Какие сахарозаменители получают при ферментативном гидролизе крах­
мала?
I
Г л а в а 16
{
АНТИОКИСЛИТЕЛИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
А н т и о к и с л и т е л и п и щ е в ы х п р о д у к т о в (А П П ) —
это природные или синтетические вещества, задерживающие про­
цесс окисления жиров и жиросодержащих продуктов.
Использование антиокислителей позволяет продлить срок хра­
нения пищевого сырья, полупродуктов и готовых продуктов, за­
щищая их от порчи, вызванной окислением кислородом воздуха.
Накопление продуктов окисления в маслах и жирах, в жировой
фракции пищевых продуктов вызывает изменение их свойств,
снижает пищевую ценность, приводит к порче и, как следствие,
оказывает вредное влияние на организм человека.
16.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ
АНТИОКИСЛИТЕЛЕЙ
По происхождению антиокислители пищевых продуктов клас­
сифицируют на природные, синтетические и микробиологическопроисхождения
1. Токоферолы
2. Лецитины
3. Каротин
4. Хлопковое масло
5. Ф енолы
6 . Хиноны
7. Госсипол
8. Сесамол
9. Соевое масло
10. Соевый шрот
11. Пальмовое масло
12. М асло какао
13. Пряности
14. Гваяковая смола
15. Кверцитин
16. Фитиновая кислота
Аскорбиновая
кислота и ее соли
(изоаскорбиновая
кислота и ее соли)
Эфиры галловой
кислоты: этилгаллат,
пропилгаллат,
додецилгаллат
Бутилгидрооксианизол
Бутилгидрокситолуол
Нетоксичные П АВ
(алкиламидные
производные жирных
кислот, эфиры сахарозы
и жирных кислот,
монопальмитат
пропиленгликоля)
Цитрин
Куркулиновая
кислота
Лимонная кислота
Каталаза
Глю козоо кс идаза
Вещества, предотвращающие или замедляю]
молекулярным кислородом
По природе действия А П П разделяются на п е р в и ч н ы е ан­
т и о к и с л и т е л и и с и н е р г и с т ы — антиокислители и комплексообразователи. Первичные АП П являются ингибиторами цеп­
ного процесса автоокисления глицеридов.
Действие большинства антиоксидантов основано на их способ­
ности образовывать малоактивные радикалы, прерывая тем самым
реакцию окисления. Антиокислители задерживают процесс окис­
ления жиров в течение определенного времени. Эффективность
действия антиокислителей определяется длиной индукционного
периода. Эффективные антиокислители вводятся в количествах
0,01—0,009 % массы жира.
Из синтетических А П П для повышения стойкости животных
жиров чаще всего используют сложные эфиры галловой кислоты
(галлаты): этил-, пропил- и додецилгаллаты. Очень эффективные
АПП — бутилгидрооксианизол, трет-бутилгидрохинон, галловая
кислота и ее сложные эфиры; эти АП П добавляют в количестве до
0,02 % к пищевым маслам и жирам для предотвращения прогорка­
ю т последних в результате окисления.
С целью торможения окисления жиров используют нетоксич­
ные ПАВ. К ним относятся ряд алкиламидных производных неко261
торых жирных кислот, а также некоторые эфиры сахарозы и жир
ных кислот и монопальмитат пропиленгликоля.
Из встречающихся в природе А П П наибольшее значение имею
токоферолы, которыми богаты рыбий жир, сахарная свекла, масл<
пшеничных зародышей, коровье масло. Токоферолы проявляю]
антиокислительное действие в концентрации 0,003— 0,02 % массь
жира. Стойкость свиного топленого жира к окислению увеличива­
ется в 160 раз при добавлении 0,02 % токоферолов и 0 , 1 % аскор­
биновой кислоты, которая является синергистом.
Синергисты — это вещества, усиливающие активность анти­
окислителей, но не обладающие антиокислительными свойства­
ми, инактивирующие ионы тяжелых металлов с образованием
комплексных соединений. Аскорбиновую кислоту и ее калиевую
соль применяют для предотвращения окислительной порчи жиро­
вых продуктов: маргарина, топленых жиров. Она является в пер­
вую очередь синергистом, восстанавливающим фенольные соеди­
нения и связывающим ионы металлов.
В растительных маслах кроме токоферолов находится еще одна
группа антиокислителей — госсипол и сесамол. Госсипол содер­
жится в семенах хлопчатника, а сесамол — в семенах кунжута.
К эффективным натуральным антиокислителям жиров отно­
сятся лецитины и каротин, входящие в состав многих расти­
тельных жиров и некоторых ягод и овощей, их вводят в рафини­
рованные хлопковое, соевое, пальмовое масла, масло какао в
количестве 1— 5 %.
Большой интерес представляют природные антиоксиданты —
экстракты вкусоароматических добавок из пряноароматических
растений, обладающих высоким антиокислительным действи­
ем, кроме того, они являются и полезными физиологическими
добавками: перец (душистый, черный, красный), лавровый лист,
гвоздика, корица, имбирь, укроп, петрушка, сельдерей, розма­
рин.
Все чайные экстракты из промышленных образцов зеленого,
черного и чая в пакетиках обладают высокой антиокислительной
активностью, особенно образцы черного китайского чая, которые
способны на 73,6 % ингибировать перекисное окисление линолевой кислоты.
Природные антиоксиданты обладают рядом преимуществ, не
уступая синтетическим по своей химической активности. В целом
они менее токсичны, более функциональны и стабильны, характе­
ризуются четкой направленностью действия.
В настоящее время идет поиск нозых эффективных антиокис­
лителей путем создания комбинированных антиокислительных
препаратов и увеличения производства природных экологически
чистых биоантиоксидантов.
Общее свойство биоантиоксидантов — их способность взаимо:Йствовать с органическими гидропероксидами и модулировать
|;йствием ферментативных комплексов, задействованных в про­
весах окисления. Кроме того, они являются акцепторами сингзтного кислорода, проявляющего повреждающие действия био|огических объектов.
Нормальные метаболические процессы, протекающие в оргаизме человека, как правило, включают перекисное окисление.
)чевидно, этот путь окислительных реакций в природе наиболее
редпочтителен, несмотря на возможность получения свободных
-апикальных форм при распаде перекисных соединений, нередко
ызывающих патологические изменения в организме.
Относительная безопасность перекисного окисления обеспешвается наличием ферментативных и неферментативных мехашзмов, предупреждающих и устраняющих последствия окислиельных повреждений. Основными участниками антиокислигельных актов являются биоантиоксиданты, присутствующие в
слетках в малых концентрациях и ингибирующие окислительные процессы.
Так как источником биоантиоксидантов для человека служат в
основном продукты питания, определение антиоксидантной ак­
тивности для контроля качества продуктов питания позволит
иметь наиболее полное представление об их биологической цен­
ности для организма человека.
Микроорганизмы также способны к биосинтезу антиоксидан­
тов. Так, мицелиальные грибы — представители родов Азрег&Ииз
и РетсШшт образуют антиоксиданты (цитрин, куркулиновую
кислоту и др.), являющиеся антимикробными агентами, вызываю­
щими изменение в составе мембранных липидов. Показано, что
суммарные фракции антиоксидантов из этих грибов препятствуют
окислению полиненасыщенных жирных кислот в мембранах. Сум­
марные фракции антиоксидантов увеличивают также степень ненасыщенности липидов, причем этот эффект особенно значитель­
но проявляется при понижении температуры культивирования.
Стабилизацию пищевых продуктов осуществляют также введе­
нием в их состав антиоксиданта в виде препаратов, полученных
путем последовательного экстрагирования биомасс микромицетов
рода МоШегеИа видов М. ри1сИе/1а, М. пщгезсеиз, М. ризШа неполяр­
ным экстрагентом, например инертным газом, диоксидом углеро­
да, азотом и другими неполярными экстрагентами в надкритичес­
ком состоянии, затем последовательно водой, щелочью, водой,
кислотой, водой, щелочью и водой с последующим объединением
первого экстракта с твердым остатком в количестве не менее 0 , 1 %
по массе. Препараты позволяют увеличить срок хранения и улуч­
шить органолептические свойства продукции.
Препараты, содержащие глюкозооксидазу и каталазу, чаще
используют в виноделии, пивоварении, консервной, соковой и
безалкогольной промышленности для удаления кислорода, что
способствует повышению стойкости продуктов к длительному
хранению и сохранению их цветности. Эти ферменты применяют
совместно, так как их каталитические активности взаимосвязаны.
Субстратом для глюкозооксидазы является глюкоза, а для дей­
ствия каталазы — пероксид водорода. Реакция идет по схеме,
представленной на рисунке 16.2.
4 I
Введение ферментов в напитки в момент их укупорки позволя­
ет полностью удалить из продукта и воздушного объема кислород,
что значительно замедляет процессы окислени