Біотехнологія молочних продуктів

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

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

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

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

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

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

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

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

Об'єкти біотехнології та їх біотехнологічні функції

Біотехнологічні об'єкти знаходяться на різних щаблях організації:

а) субклітинні структури (віруси, плазміди, ДНК мітохондрій і хлоропластів, ядерна ДНК); б) бактерії й ціанобактерії; в) гриби; г) водорості; д) найпростіші; е) культури клітин рослин і тварин; ж) рослини – нижчі (анабена-азолла) і вищі – ряскові.

Бактерії й ціанобактерії

Мікроорганізмів, які синтезують продукти або здійснюють реакції, корисні для людини, кілька сотень видів. Біотехнологічні функції бактерій різноманітні. Бактерії використовуються при виробництві: – харчових продуктів, наприклад, оцту (Gluconobacter suboxidans), молочнокислих напоїв (Lactobacillus, Leuconostoc) і ін.; – мікробних інсектицидів (Bacillus thuringiensis); – білка (Methylomonas); – вітамінів (Clostridium – рибофлавін); – розчинників й органічних кислот; – біогазу й фотоводню.

Корисні бактерії відносяться до еубактерій. Оцтовокислі бактерії, представлені родами Gluconobacter й Acetobacter, – це грамнегативні бактерії, які перетворюють етанол в оцтову кислоту, а оцтову кислоту у вуглекислий газ і воду. Рід Bacillus відноситься до грампозитивних бактерій, які здатні утворювати ендоспори й мають перитрихіальні джгутики. B.subtilis – суворий аероб, а B.thuringiensis може жити й в анаеробних умовах. Анаеробні бактерії, які утворюють спори представлені родом Clostridium. C.acetobutylicum зброджують вуглеводи в ацетон, етанол, ізопропанол й n-бутанол (ацетобутанолове бродіння), інші види можуть також зброджувати крохмаль, пектин і різні азотвмісні сполуки.

До молочнокислих бактерій відносяться представники родів Lactobacillus, Leuconostoc й Streptococcus, які не утворюють спори, грампозитивні й нечутливі до кисню. Гетероферментативні молочнокислі бактерії роду Leuconostoc перетворюють вуглеводи в молочну кислоту, етанол і вуглекислий газ. Гомоферментативні молочнокислі бактерії роду Streptococcus продукують тільки молочну кислоту, а бродіння, яке здійснюють представники роду Lactobacillus, дозволяє одержати поряд з молочною кислотою ряд різноманітних продуктів.

До бактерій роду Corynebacterium, нерухомі грампозитивні клітини які не утворюють ендоспор, відносяться патогенні (C.diphtheriae, C.tuberculosis) і непатогенні ґрунтові види, що мають промислове значення. С.glutamicum є джерелом лізину і поліпшує смак нуклеотидів. Коринебактерії хоча й вважаються факультативними анаеробами, краще ростуть аэробно. Бактерії використовуються для мікробного вилужування руд й утилізації гірничорудних відходів.

Широко використовується така властивість деяких бактерій, як діазотрофність, тобто здатність до фіксації атмосферного азоту.

Виділяють дві найбільші групи діазотрофів:

– симбіонти: без кореневих клубеньків (азотобактер – лишайники, азоспіриллум – лишайники, анабена – лишайники, азолла), з кореневим клубеньками (бобові – ризобії, вільха, лох, обліпиха – актиноміцети);

– вільноживучі: гетеротрофи (азотобактер, клостридіум, метилобактер), автотрофи (хлоробіум, родоспіриллум й амебобактер).

Мікробні клітини використовують для трансформації речовин.

Бактерії також широко використовуються в генноінженерних маніпуляціях при створенні геномних клонотек, введенні генів у рослинні клітини (агробактерії).

Виробничі штами мікроорганізмів повинні відповідати певним вимогам: здатність до росту на дешевих поживних середовищах, висока швидкість росту й утворення цільового продукту, мінімальне утворення побічних продуктів, стабільність продуцента відносно виробничих властивостей, нешкідливість продуцента й цільового продукту для людини й навколишнього середовища. У зв'язку із цим всі мікроорганізми, які використовуються в промисловості проходять тривалі випробування на нешкідливість для людей, тварин і навколишнього середовища. Важливою властивістю продуцента є стійкість до інфекції, що важливо для підтримки стерильності, і фагостійкість.

Усі ціанобактерії володіють здатністю до азотфіксації, що робить їх досить перспективними продуцентами білка. Анабена (Anabaena) – нитчаста (синьо-зелені водорості). Нитки з більш-менш округлих клітин, містять гетероцисти й іноді великі спори, по всій довжині нитки однакової товщини. У цитоплазмі клітин відкладається подібний до глікогену запасний продукт – анабенін. Такі представники ціанобактерій, як носток, спіруліна, триходесміум їстівні й безпосередньо вживаються в їжу. Носток утворює на безплідних землях скоринки, які розбухають при зволоженні. У Японії місцеве населення використовує в їжу шари ностока, які утворюються на схилах вулканів й називає їх ячмінним хлібом Тенгу (Тенгу – добрий гірський дух).

Свій хід спіруліна (Spirulina platensis) почала з Африки – населення району озера Чад давно вживає її в їжу, називаючи цей продукт «дихе». Інше місце, звідки почала поширюватися спіруліна, але іншого виду (Spirulina maxima) – води озера Тескоко в Мексиці. Ще ацтеки збирали з поверхні озер й уживали в їжу слизову масу синьо-зеленої водорості спіруліни. Уперше галети "текуітлатл" згадані іспанцем Кастильо у 1521 р. Ці галети продавалися на базарі в Мехіко й складалися з висушених шарів S.maxima. У 1964 році бельгійський ботанік Ж.Леонар звернув увагу на галети синьо-зеленого кольору, які місцеве населення виготовляло з водоростей, що ростуть у лужних ставках навколо озера Чад. Ці галети являли собою висушену масу спіруліни. Аналіз зразків Spirulina показав, що в ній мітиться 65% білків (більше, ніж у соєвих бобах), 19% вуглеводів, 6% пігментів, 4% ліпідів, 3% волокон й 3% золи. Для білків цієї водорості характерним є збалансований вміст амінокислот. Клітинна стінка цієї водорості добре переварюється. Як озеро Тескоко, так і водойми району озера Чад мають у воді дуже високі концентрації лугів. Характерно, що в таких озерах спіруліна повністю домінує й росте майже як монокультура – становить в окремих озерах до 99 % загальної кількості водоростей. Росте спіруліна в лужному середовищі при рН аж до 11. Її збирають також з озер біля м. Мехіко, одержуючи до 2 т сухої маси біомаси водорості на добу, і ця продукція розсилається в США, Японію, Канаду. В інших країнах спіруліну культивують в штучних водоймах або спеціальних ємностях. Спіруліну можна культивувати у відкритих ставках або, як в Італії, у замкнутій системі з поліетиленових труб. Урожайність дуже висока: одержують до 20 м сухої маси водорості з 1 м² у день, а розрахунки на рік показали, що вона перевищить вихід пшениці приблизно в 10 разів.

Переваги спіруліни в порівнянні з іншими їстівними водоростями не тільки в простоті культивування, але й у нескладності збору біомаси, висушування її, наприклад, під сонцем. У ряді країн вирощують спіруліну виду Spirulina platensis. Недавно було показано, що в клітинах спіруліни, окрім білка, вуглеводів, ліпідів, вітамінів, у значних кількостях запасається, наприклад, така речовина, як полі-b-оксибутират. Вітчизняна фармацевтична промисловість випускає препарат «Сплат» на основі ціанобактерії Spirulina platensis. Він містить комплекс вітамінів і мікроелементів і застосовується як загальзміцнюючий та імуностимулюючий засіб.