Производство хлебопродуктов.

Производство хлеба включает сложный цикл микробиологических и биохимических процессов, происходящих в тесте с момента смешивания муки с водой и заканчивая выпечкой.

В состав муки, используемой для выпечки ржаного хлеба, входят компоненты, необходимые для развития мно­гих микроорганизмов. Кроме крахмала в муке содержится до 0,7—1,8% (в пересчете на сухое вещество) сбраживаемых саха­ров — глюкозы, фруктозы, мальтозы, сахарозы, раффинозы, су­щественно влияющих на первые стадии брожения теста. Обра­зующиеся при гидролизе крахмала амилолитическими фермента­ми муки углеводы (мальтоза и др.) — основные субстраты, обес­печивающие процесс брожения и хорошее газообразование при изготовлении теста. Азотсодержащие вещества муки состоят главным образом из белков. В незначительном количестве содер­жатся и небелковые азотистые вещества — свободные аминокис­лоты и амиды. Кроме того, протеиназы муки обогащают тесто водорастворимыми азотсодержащими соединениями. В состав муки входит до 2 % минеральных веществ, в том числе микро­элементы.

Мука всегда содержит значительное количество различных микроорганизмов. Вносятся они и с добавками к тесту. Важней­шую роль в брожении теста играют дрожжи и молочнокислые бактерии, для которых в этом случае имеются все необходимые условия: влажность (40—50 %), незначительное содержание молекулярного кислорода и наличие питательных веществ. Микробиологические процессы и связанные с ними био­химические изменения в тесте определяют пористость, окраску, прочность среза и сохранение свежести хлеба, придают ему вкус и аромат.

При приготовлении теста из пшеничной муки обычно приме­няют хлебопекарные прессованные дрожжи. Их производят на специализированных дрожжевых заводах; в качестве питатель­ной среды используют мелассу с добавлением необходимых питательных компонентов. Дрожжи после выращивания при аэрации отделяют от питательной среды сепарированием, промы­вают и прессуют. Влажность их составляет 75 %, поэтому они не могут храниться длительное время.

Для получения хлебопекарных дрожжей используют быстро­растущие расы верхового брожения. Они должны иметь крупные клетки, хорошо сбраживать сахара при высокой концентрации сухих веществ в тесте, быть солеустойчивыми и устойчивыми к вредным примесям мелассы, иметь высокую скорость генерации, обладать высокой подъемной силой и мальтазной активностью. Подъемная сила отражает активность бродильных ферментов клетки, ее зимазного комплекса, а мальтазная активность свидетельствует о скорос­ти сбраживания мальтозы.

В хлебопечении применяют также сухие дрожжи, которые готовят высушиванием прессованных до влажности 7—10%. В отечественной промышленности используют разные расы S. cerevisiae. На многих хлебозаводах используют смесь различных рас. На некоторых заводах нашли применение гибридные дрож­жи. В настоящее время для приготовления пшеничного и ржа­ного теста широко используют закваски, состоящие из дрожжей и молочнокислых бактерий.

Ржаное тесто часто готовят на густых заквасках, обеспечива­ющих его разрыхление и кислотонакопление. Их изготовляют с помощью чистых культур гомо- и гетероферментативных молоч­нокислых бактерий и дрожжей.

Жидкие закваски — полуфабрикат, при получении которого на осахаренных заварках или жидких водно-мучных смесях при 28—30°С непрерывно-поточным способом одновременно размно­жаются мезофильные гетероферментативные молочнокислые бак­терии и дрожжи, попавшие туда спонтанно (например, с мукой) или внесенные специально. При использовании жидких заквасок в тесте протекает не только спиртовое, но и активное молочно­кислое брожение, при этом рН теста снижается до 4,7—4,8.

Жидкие дрожжи — полуфабрикат, в котором (в отличие от жидкой закваски) основным компонентом, ведущим брожение в тесте, являются микроорганизмы. Для достижения этого осахаренная и охлажденная до 50 °С мучная заварка заквашивается бактериями L. delbrueckii (рН 3,7—3,9). На закисшем заторе при 28 °С в другой емкости культивируют дрожжи, используемые для разрыхления теста. В настоящее время более половины пше­ничного хлеба (особенно из муки второго сорта) изготавливается на жидких дрожжах, масштабы применения которых возрастают.

Порчу хлебопекарных изделий могут вызывать неосмофильные и осмофильные виды дрожжей. Неосмофильные дрожжи обусловливают три вида порчи. Аспорогенные дрожжи при попа­дании в тесто могут понизить качество хлеба и придать ему не­желательный запах. S. cerevisiae и другие бродящие дрож­жи, контаминируя хлеб после выпечки, вызывают появление сильного запаха («фруктового», «ацетонового» и др.). Виды дрожжей, образующие гифы, могут давать на поверхности хлеба хорошо видимый рост. На темных сортах хлеба возможно появление белого налета «меловой плесени», порчу чаще всего вызывают Hyphopichia burtonii.

Осмофильные дрожжи (Zygosaccharomyces rouhii, Z. bisporus) опасны для кондитерских хлебопекарных изделий, при изготовле­нии которых компоненты с высоким содержанием сахара (джемы, мармелад, фруктовые, наливки и др.) могут портиться (забраживать).

Хлебный квас.

 

Квас изготавливали на Руси с древних времен. Существует много народ-ных способов его приготовления. Наибольшим спросом пользуются квасы, получаемые путем брожения, в частности квас хлебный.

Хлебный квас – один из распространенных напитков, обладающих приятным ароматом ржаного свежевыпеченного хлеба и кисловато-сладким вкусом.

Хлебный квас является продуктом незаконченного спиртового и молочнокислого брожения квасного сусла, получаемого из смеси экстрактивных веществ хлебного сырья. Спиртовое брожение вызывается квасными дрожжами-сахаромицетами. Оно сопровождается выделением СО₂ и накоплением до 0,5об.% спирта. Молочнокислые бактерии превращают сахара квасного сусла в молочную кислоту и другие продукты гетероферментативного молочнокислого брожения – уксусную кислоту, этиловый спирт, СО₂, летучие ароматические вещества. При совместном развитии в сусле дрожжи и молочнокислые бактерии вступают в сложные взаимоотношения. В результате в сбраживаемой среде, кроме указанных продуктов, накапливается до 0,04% уксусно-этилового эфира и диацетила, создающих специфический аромат и вкус кваса, повышается стойкость кваса при хранении.

Сырьем при производстве хлебного кваса служат ржаной солод, ржаная мука, ячменный солод, сахар и другие продукты. Основные стадии его производства включают приготовление квасного сусла, приготовление сахарного сиропа и колера, приготовление комбинированной разводки чистых культур дрожжей и молочнокислых бактерий, сбраживание квасного сусла, купажирование сброженного сусла и розлив кваса.

Раньше квасное сусло приготовляли настойным и рациональным способами, которые сейчас применяют редко.

В настоящее время квасное сусло готовят в основном из концентрата квасного сусла (ККС), концентратов квасов, концентрата обогащенного квасного сусла, экстракта окрошечного кваса, которые получают на специализированных заводах с добавлением ржаной, кукурузной, ячменной муки. Брожение проводят в герметически закрытых аппаратах, куда поступают сусло, сахарный сироп и комбинированная закваска дрожжей и молочнокислых бактерий. Процесс длится в течение 14 ч. После охлаждения квас снимают с осадка, купажируют сахарным сиропом и подают на розлив. Для сбражи­вания квасного сусла применяют смешанные чистые культуры дрож­жей S. cerevisiae и молочнокислых бактерий.

Закваску из дрожжей и молочнокислых бактерий предвари­тельно раздельно размножают на стерильном квасном сусле и затем переводят в чан, заполненный пастеризованным суслом с сахарным сиропом. Вначале в чан задают только разводку молочнокислых бактерий, а позже разводку дрожжей. В процес­се брожения в квасе накапливается 0,3—0,5 % спирта. Квас ох­лаждают, снимают с осадка, купажируют сахарным сиропом и подают на розлив. В готовом квасе при хранении количество спирта не должно превышать 1,2 об. %.

Помутнение и прокисание кваса могут вызвать различные виды микроорганизмов. Дрожжи Candida krusei и С. guillermondii окисляют спирт, способствуют накапливанию органических кислот, образуют неприятный привкус. В порче кваса могут при­нимать участие также уксуснокислые бактерии.

 

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение - это процесс превращения молочнокислыми бактериями углеводов в молочную кислоту, для которых этот процесс является единственным источником получения энергии.

Молочнокислые бактерии подразделяются гомоферментативные и гетероферментативные, которые вызывают соответственно либо гомоферментативное, либо гетероферментативное мо­лочнокислое брожение. В основе этого деления лежат различия в ха­рактере образующихся продуктов, что определяется набором фермен­тов у молочнокислых бактерий.

Гомоферментативные молочнокислые бактерии из сахара обра­зуют одну молочную кислоту по следующему суммарному уравнению:

С₆Н₁₂О₆ --> 2СНзСНОНСООН + 94 кДж

Глюкоза Молочная кислота

Гетероферментативные молочнокислые бактерии, благодаря раз­нообразию имеющихся у них ферментов, из сахара образуют кроме молочной кислоты и другие продукты брожения - уксусную кислоту, этиловый спирт, углекислый газ, некоторые виды образуют еще янтарную кислоту, водород. Кроме того, среди молочнокислых бактерий имеются ароматобразующие виды, которые синтезируют ароматиче­ские вещества - диацетил и ацетон. Конечные продукты, образующиеся при гетероферментативном молочнокислом брожении, накапливаются в среде в различных количественных соотношениях, что зависит от ви­да бактерий, питательной среды и внешних условий. Схематически процесс гетероферментативного молочнокислого брожения можно вы­разить следующим уравнением:

2С₆Н₁₂О6 --» СНзСНОНСООН + СООНСН₂СН₂СООН + СНзСООН
Глюкоза Молочная кислота Янтарная кислота Уксусная

кислота

+ СНзСН₂ОН + СО₂ + Н₂ + 75 кДж

Этиловый спирт

Молочнокислое брожение находит широкое применение при изготовлении кисломолочных про­дуктов: сливочного масла, маргарина, в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов и в производстве молочной кислоты.

Молочнокислые бактерии относятся в основном к родам Streptococcus, (шаровидная или слегка овальная форма клеток, обра­зующих цепочки), Pediococcus (шаровидная или слегка овальная форма клеток, расположенных поодиночке, попарно или тетрадами) и Lactobacillus (неподвижные, не образующие спор длинные или короткие палочки, одиночные или в виде цепочек) (рис.3 а,б,в). Все молочнокислые бактерии грамположительны, факультативные анаэробы, имеются и микроаэрофилы.

Молочнокислые бактерии отличаются от других микроорганиз­мов чрезвычайной требовательностью к составу питательной среды - они нуждаются в полном наборе готовых аминокислот, витаминах группы В, в компонентах нуклеиновых кислот.

Высокая требовательность к питательной среде определяет распростране-ние молочнокислых бактерий в природе. Они почти никогда не встречаются в почве или в водоемах. Обитают в основном на расте­ниях, плодах, овощах, с которыми попадают в желудочно-кишечный тракт и густо населяют его, в молоке и молочных продуктах, а также в местах разложения растительных

 

 

а б

в

Рис.3. Молочнокислые бактерии: а - рода Streptococcus (шаровидные); б - рода Lactobaciilus (палочковидные); в – Pediococcus.

остатков. В качестве источника угле­рода используют лактозу (молочный сахар) или мальтозу (солодовый сахар, образующийся при гидролизе крахмала).

Молочнокислые бактерии образуют неодинаковое количество кислоты - от 1 до 3.5 %, в связи, с чем они могут развиваться при рН около 4,0. Способность молочнокислых бактерий подкислять среду ис­пользуется для подавления в различных продуктах жизнедеятельности гнилостных бактерий (при квашении капусты, засоле огурцов, мочении яблок и др.), которые предпочитают нейтральные или слабощелочные значения рН.

Среди молочнокислых бактерий есть мезофиллы - развиваются при температуре (около 30 °С) и термофилы - при температуре (40 - 50 °С).

Для получения многих кисломолочных продуктов, в том числе и сыров, используют гомоферментативные, мезофильные и термофиль­ные молочнокислые бактерии, чистые культуры которых вносят в па­стеризованное молоко. Простокваша готовится при помощи молочно­кислого стрептококка (Streptococcus lactis), являющего мезофилом, ацидофилин - на закваске, состоящей из термофильной культуры аци­дофильной палочки (L. acidophilus) и молочнокислого стрептококка (S. lactis). Кефир готовят на закваске, содержащей симбиотический комплекс из термофильных молочнокислых бактерий Lactobacillus casei и дрожжей Saccharomyces kefir, сбраживающих лактозу. Они входят в состав кефирных зерен, представляющих собой плотные комочки ка­зеина, населенные этими микроорганизмами.

Имеются разнообразные национальные молочнокислые напитки – кумыс, мацони, йогурт, биогурт, лебен и др., которые получают за­квашиванием кобыльего, верблюжьего, овечьего, козьего молока спе­цифическими заквасками, содержащими термофильную болгарскую палочку (Lactobacillus bulgaricum).

Молочнокислые бактерии, вместе с пропионовокислыми уча­ствуют в созревании сыров. Мезофильные молочнокислый и сливоч­ный стрептококки (S. lactis и S. cremoris) входят в состав заквасок для сметаны, творога, сливочного масла и маргарина, в последнем случае для придания аромата продуктам используются ароматообразующие виды (гетероферментативные стрептококки - S. diacetilactis).

Гетероферментативные молочнокислые бактерии Lactobacillus brevis наряду с гомоферментативными бактериями Lactobacillus plantarum в симбиозе с дрожжами принадлежит основная роль при из­готовлении ржаного хлеба. Они разрыхляют тесто, придают ему аро­мат и кисловатый вкус.

Гомоферментативные термофильные молочнокислые бактерии применяют для приготовления жидких дрожжей в хлебопечении (L. delbrueckii).

Квашение овощей (огурцов, капусты) и силосование кормов сво­дятся в основном к молочнокислому брожению в этих субстратах (гомоферментативные мезофилы L. plantarum).

И, наконец, гомоферментативные молочнокислые бактерии (L. delbrueckii и S.lactis) применяют в производстве молочной кислоты, которая используется в консервной, кондитерской промышленности, в производстве безалкогольных напитков, а также в медицине. Некото­рые молочнокислые бактерии образуют антибиотик низин.

Многие мезофильные гетероферментативные палочковидные бактерии рода Lactobacillus, шаровидные (овальной или яйцевидной формы) бактерии рода Leuconostoc и образующие тетрады и гроздья шаровидные бактерии рода Pediococcus являются вредителями в производстве спирта, пива, вина, безалкогольных напитков, сахара и др.

 

Пропионовокислое брожение

Оно вызывается пропионовокислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium.

Единственным источником энергии для них является процесс
сбраживания разнообразных веществ - моносахаридов (гексоз и пен-
тоз), молочной или яблочной кислот, глицерина и др., которые пре­
вращаются в пропионовую и уксусную кислоты, углекислый газ и воду:

3С₆Н₁₂О₆ --> 4СН₃СН₂СООН + 2СНзСООН + 2СО₂ + 2Н₂О + Энергия
Глюкоза Пропионовая Уксусная

кислота кислота

 

3СНзСНОНСООН ---> 2СН₃СН₂СООН+СН₃СООН+СО₂+Н₂О+ Энергия
Молочная Пропионовая Уксусная

кислота кислота кислота

Пропионовокислые бактерии родственны по ряду свойств гетероферментативным молочнокислым бактериям и часто развиваются совместно с ними.

Пропионовокислые бактерии (рис.3) - это небольшие, неподвижные па­лочки, слегка искривленные, не образующие спор, грамположительные, факультативные анаэробы. Они так же, как и молочнокислые бактерии не встречаются в почве или водоемах. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных, а также в молоке.

Практическое использование пропионовокислого брожения. Оно используется в сыроделии. Вначале казеин молока подвергают коагу­ляции

 

Рис.3 Пропионовокислые бактерии

под действием сычужного фермента, выделяемого из желудка жвачных животных. Затем сгустки отделяют от сыворотки, прессуют, выдерживают в растворе соли и оставляют для протекания процесса созревания.

В первой фазе созревания в сгустке казеина протекает молочно­кислое брожение, при этом лактоза превращается в молочную кислоту. Затем наступает вторая фаза созревания сыров - пропионовокислое брожение, когда сбраживается образовавшаяся молочная кислота. В результате образуются летучие кислоты - уксусная и пропионовая, придающие сырам кисловато-острый вкус, а выделяющаяся в виде пу­зырьков углекислота образует «глазки» в сыре. На больших сыродельческих предприятиях вместо самопроизвольного созревания сыра при участии естественной микрофлоры молока применяют специальные закваски, иногда с введение микроскопических грибов, например Penicillium roqueforti (сыр сорта "Рокфор").

У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к ак­тивному синтезу витамина В₁₂, который накапливается внутри клеток. Эта их особенность используется для промышленного получения вита­мина B₁₂ на отходах производства - молочной сыворотке и др. с добав­лением кукурузного экстракта в качестве источника витаминов.

Маслянокислое брожение

Маслянокислое брожение представляет собой сложный процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, диоксида углерода и водорода по уравнению:

С₆Н₁₂О₆ --> СН₃СН₂СН₂СООН + 2СО₂ + 2Н₂ + 63 кДж

Глюкоза Масляная кислота

Кроме основных продуктов брожения, в качестве побочных образуются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота.

В отличие от возбудителей рассмотренных брожений маслянокислые бактерии являются строгими анаэробами рода Clostridium. Для них молекулярный кислород - яд. Маслянокислые бактерии представляют собой подвижные довольно крупные палочки, спорообразующие с центральным или латеральным расположением спор, придавая клеткам форму веретена или теннисной ракетки.

Единственным источником энергии для маслянокислых бактерий является процесс брожения.

Возбудителем типичного маслянокислого брожения является Clostridium butiricum. Отдельные представители маслянокислых бакте­рий вызывают несколько разновидностей маслянокислого брожения, общим признаком которых является большее или меньшее накопление масляной кислоты, уксусной и других органических кислот, а также бутилового и других спиртов, ацетона и некоторых газообразных про­дуктов - водорода, метана, углекислоты.

Сбраживаться могут углеводы, в том числе полисахариды (крахмал, амилоза, гранулеза, гликоген, пектиновые вещества, целлю­лоза и др.), У маслянокислых бактерий имеются соответствующие ферменты - амилаза, пектиназа, целлюлаза, гидролизующие эти соединения до простых сахаров, которые затем подвергаются маслянокислому брожению. Маслянокислые бактерии могут сбраживать спирты (этиловый, маннит, глицерин), аминокислоты (глутаминовую и др.). Близки к маслянокислым бактериям патогенные формы - возбудители тяжелого пищевого отравления - ботулизма и возбудитель столбняка. По характеру используемых субстратов масля­нокйслые бактерии делят на две группы: сахаролитические клостридии, сбраживающие в основном углеводы, и протеолитические клостридии, имеющие активные протеолитические ферменты и разла­гающие белки, пептоны до аминокислот, которые затем подвергаются сбраживанию.

Маслянокислые бактерии довольно крупные (рис.5.3) грамположительные, подвижные палочки с перитрихиально расположенными жгути­ками, образующие очень устойчивые споры, при формировании кото­рых клетка принимает форму веретена или теннисной ракетки. Перед образованием спор в клетках накапливается запасное крахмалоподобное вещество - полисахарид гранулеза.

Рис.4. Маслянокислые бактерии

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Они обитают там, где много органических веществ и нет доступа кис­лорода - в иловых отложениях водоемах, в навозе, почве, в скоплениях разлагающихся отбро-сов, в сточной жидкости и т.п. Их развитие в почве, где достаточно воздуха, становится возможным благодаря сим­биозу с аэробными бактериями, кото-рые используют кислород на собственные нужды. Повсеместному их распро-странению способствует необыкновенно высокая устойчивость спор.

Практические значение маслянокислого брожения

В природе маслянокислым бактериям принадлежит важная роль в круговороте углерода в природе. Масляная кислота - широко распространенный продукт анаэробного разложения различных органических веществ.

Маслянокислое брожение используют в промышленности для получения масляной кислоты, которая находит широкое применение. Масляная кислота обладает резким неприятным запахом прогорклого масла. В то же время ее эфиры отличаются приятным ароматом, на­пример, метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый - грушевый, амиловый - ананасный. Их используют в кондитерской и парфюмер­ной промышленности, а также в производстве фруктовых безалко­гольных напитков. Большой ущерб наносит маслянокислое брожение в народном хозяйстве. Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов (бомбаж), прогоркание молока, увлажнение муки и др. продуктов. Они вызывают порчу квашеных овощей при замедленном молочнокислом брожении; образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах.

В производствах, основанных на жизнедеятельности дрожжей,
маслянокислые бактерии являются вредителями, так как масляная кис­лота отравляет дрожжи. Борьба с ними затруднительна из-за высокой устойчивости спор.

Ацетонобутиловое брожение.

Близким к маслянокислому является ацетонобутиловое брожение, в процессе которого образуется значительно большее количество бутилового спирта и ацетона, чем при обычном маслянокислом брожении. При этом образуется также этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты, выделяются диоксид углерода и водород.

Возбудителями ацетонобутилового брожения являются анаэробные подвижные спорообразующие палочковидные бактерии рода Clostridium.

В промышленности для производства ацетона и бутилового спирта применяют крахмалистое сырье. После отгонки из бражки ацетона и спиртов, остающийся отход – барду – используют для извлечения витамина В₁₂. Барда может быть использована для выращивания метановых бактерий, которые синтезируют витамин В₁₂.

Ацетон и бутиловый спирт получают и химическим синтезом.