Использование микроорганизмов в производстве продуктов питания

Аннотация. Известно, что различные микроорганизмы распространены в природе почти повсеместно. Ряд микроорганизмов человек научился использовать в промышленности, в медицине, в сельском хозяйстве. Некоторые микроорганизмы способны принести определенный вред в производстве продуктов питания, кормов для сельскохозяйственных животных и птицы, нарушить правильное течение технологических процессов. Данная статья посвящена обзору трех наиболее распространенных групп микроорганизмов, встречающихся и используемых в промышленном производстве продуктов питания.

Ключевые слова: брожение, дрожжи, микроорганизмы, анаэробное брожение, грибы, бактерии.

Тот факт, что микроорганизмы распространены в природе практически повсеместно, свидетельствует об их важной роли в природных процессах. Без участия микроорганизмов невозможно разложение органических остатков растений и животных в почве и водоемах, невозможен круговорот энергии в природе. Деятельность микроорганизмов способствует повышению плодородия почв, образованию нефти, пластов каменного угля, ряда других полезных ископаемых.

Человечество научилось использовать полезные микроорганизмы в промышленности и сельском хозяйстве. Например, изготовление хлеба и хлебобулочных изделий, виноделие, синтез витаминов, ферментов, десятков других необходимых веществ, используемых в медицине, сельском хозяйстве, промышленности, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов.

От деятельности многих «прирученных» человеком микроорганизмов зависит увеличение азота в почвах, они помогают приготовить и длительное время хранить корма для сельскохозяйственных животных и птицы. Без синтеза антибиотиков, являющихся продуктом деятельности микроорганизмов, в наше время уже невозможно представить успешное излечение большинства инфекционных и хронических заболеваний человека, животных и растений. В данной статье мы рассмотрим некоторые бактерии и одноклеточные грибы, которые используются в пищевой промышленности [5, с. 560].

Бактерии и одноклеточные грибы – источник самого древнего процесса, используемого человечеством – брожения. Именно путем сбраживания производят сыры, вино, спиртсодержащие жидкости, кисломолочные продукты и прочие побочные продукты брожения. В общих чертах процесс брожения можно описать так - микроорганизмы путем окисления добывают себе энергию для жизни и размножения. Существует три типа брожения. Рассмотрим их.

Спиртовое брожение. Основано на жизнедеятельности дрожжей. Дрожжи - внетаксономическая группа одноклеточных грибов, утративших мицелиальное строение в связи с переходом к обитанию в жидких и полужидких, богатых органическими веществами субстратах. Объединяет около 1500 видов, относящихся к отделам аскомицетам и базидиомицетам. На рисунке 1 представлены дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

Рисунок 1. Дрожжевые грибки Saccharomyces cerevisiae

Основой дрожжевого брожения является окисление исходной молекулы углевода до этилового спирта, углекислого газа, воды и молекулы АТФ (источника энергии). Следует заметить, что в основном брожение происходит под воздействием одноклеточных грибов различных видов и родов [1, с. 352].

Итак, для успешного осуществления спиртового брожения, необходимо в богатую глюкозой среду внести возбудители брожения – дрожжи, которые начнут процесс сбраживания моносахаридов. При этом глюкоза ферментируется, в результате чего образуется этиловый спирт и двуокись углерода. Для того, чтобы развитие и размножение дрожжей в питательной среде было более активным, сусло насыщают воздухом, азотом, применяя принудительную аэрацию. Когда процесс брожения начал активно развиваться, для накопления спирта в сусле создают анаэробные условия. Анаэробная среда предупреждает также окисление спирта до уксусной кислоты, воды и углекислого газа. Чтобы получить брожение, используется концентрация глюкозы от 10 до 15%, а температура должна быть не больше 30°C. Следует заметить, что брожение может быть спровоцировано не только дрожжами, но и иными бактериями и плесневыми грибками.

После образования этилового спирта его отделяют от сусла методом перегонки. После перегонки, полученный спирт подвергают дальнейшей очистке путем фракционной дистилляции.

Другой вид брожения – молочнокислое брожение, происходит при окислении углеводов до молочной кислоты с выходом ряда побочных продуктов. Сущность этого процесса мы рассмотрим немного ниже. Пока же нужно сказать, что в современной промышленности для молочнокислого брожения применяются специальные закваски для кисломолочных продуктов, искусственно выращиваются штаммы нужных микроорганизмов. Процесс модернизирован и доведен до автоматизма, проводится при помощи комплектационного оборудования [4, с. 240].

Опишем суть молочнокислого брожения. В основе лежит среда, богатая углеводами. Это могут быть простые углеводы, такие как фруктоза, глюкоза, пентоза, либо сложные углеводы - сахароза, крахмал и тому подобное. Далее создаются анаэробные условия. В питательную среду вносят штаммы молочнокислых бактерий, называемые закваской. Затем, для начала и успешного завершения процесса брожения необходимо создать оптимальные внешние факторы: освещенность, температура, наличие тех или иных добавочных компонентов, давление. Этот процесс используют для неконсервированных молочных продуктов. Обычно при этом применяют закваску из бактерий видов Streptococcus lactis,lactobacillus casei, lactobacillus acidophilus и другие.

Рисунок 2. Ацидофильная палочка Lactobacillus acidophilus

Для создания консервированных кисломолочных продуктов применяют следующие, наиболее распространенные виды микроорганизмов: ацидофильная болгарская палочка, лактобактерии вида Sporolactobacillus inulinus, бифидобактерии, лейконостоки, молочнокислые кокки, лактобактерии вида L. Casei, бактерии рода Streptococcus и прочие. На рисунке 2 представлена ацидофильная палочка Lactobacillus acidophilus.

Маслянокислое брожение. Этот тип брожения важен в природном масштабе. Подобное брожение происходит в природе без доступа кислорода на дне болот, водоемов, в речном субстрате на дне. Именно благодаря этому типу брожения в природных условиях происходит переработка и разложение растительной и животной органики.

Возбудителями маслянокислого брожения являются бактерии рода Clostridium (C.butyricum, C.saccharodutyricum, C.amylobacter). Они являются строгими анаэробами. Споры, посредством которых они размножаются, очень устойчивы к факторам внешней среды. Так, они выживают после кипячения в течение нескольких минут, и убивает их только длительное кипячение, свыше получаса, желательно под высоким давлением. Споры могут выдерживать кипячение в течение нескольких минут. Оптимальная температура развития бактерий 30–40°С (маслянокислое брожение наиболее интенсивно протекает при 35°С).

По отношению к источникам питания маслянокислые бактерии весьма неприхотливы, они усваивают белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые – азот воздуха. Бактерии C.butyricum – возбудители типичного маслянокислого брожения. Это подвижные крупные грамположительные анаэробные палочки, длиной 4–12 мкм, шириной 0,5–1,5 мкм, перитрихи, споры располагаются центрально или субтерминально. Характерным является накопление гранулезы (специфического запасного углеводного вещества) перед образованием спор. На рисунке 3 представлены бактерии Clostridium butyricum, являющиеся одним из возбудителей маслянокислого брожения [3, с. 304].

Рисунок 3. Бактерии Clostridium butyricum, возбудители маслянокислого брожения

В результате молочнокислого брожения образуется ряд веществ: масляная кислота, ацетон, изопропиловый спирт, углекислый газ, уксусная кислота, молочная, этиловый спирт и прочие соединения.

К сожалению, маслянокислое брожение, полезное в промышленности, является вредным и опасным в производстве пищевых продуктов. Появление маслянокислых бактерий в молочных продуктах вызывает неприятный запах и прогорклый вкус. Эти бактерии являются причиной порчи консервов (овощных, мясных, рыбных). С ними трудно бороться, так как они встречаются на любом сырье, а споры их очень устойчивы. Технологией пищевых предприятий предусмотрены профилактические меры борьбы с маслянокислой микрофлорой, используют также антибиотик низин. Опасно также их развитие в производствах, связанных с использованием дрожжей, так как эти бактерии сильно угнетают дрожжи [2, с. 886].

Итак, мы видим, что бактерии и одноклеточные грибы успешно применяются в пищевой промышленности и занимают важное место в производстве продуктов питания. В дальнейшем технологии применения сбраживающих микроорганизмов будут все более совершенствоваться путем отбора наиболее эффективных штаммов бактерий и грибов.