Ферментативные процессы при производстве пищевых продуктов

Основы технологии в кулинарии  /  Химия в кулинарии
Теги:

Чрезвычайно важная роль отводится химическим и биохимическим преобразованиям при производстве пива, вина, спирта, хлеба, кондитерских изделий, растительных масел, дрожжей, глюкозы и фруктозы, разных жиров, инвертного сахара и др., а также при сохранении растительного сырья и готовых продуктов. Скорость этих преобразований имеет большое значение в интенсификации технологий пищевых продуктов. Влияние разных факторов, условий и параметров на скорость химических и биохимических преобразований называется химической кинетикой, которая характеризуется изменением концентрации одного из реагирующих веществ за единицу времени. При расчетах скорости реакции следует рассматривать одно или несколько из исходных (начальных) веществ, концентрация которых в процессе химических и биохимических преобразований увеличивается или уменьшается. Основными факторами, которые влияют на скорость всех химических и биохимических реакций при переработке пищевого сырья, есть концентрация реагирующих веществ, температура и присутствие катализатора (ферментов и др.). Увеличение концентрации взаимодействующих веществ — один из наиболее универсальных приемов интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности. Например, увеличение концентрации сахара в сусле до 50% и проводка его сбраживания в спиртовой промышленности разрешит снизить себестоимость этилового спирта на 30...40%. Температура — тоже важный фактор, который определяет скорость химических и биохимических реакций в пищевых технологиях. Объясняется влияние температуры и концентрации реагирующих веществ на скорость реакций теорией активных столкновений, согласно которой химическое взаимодействие между молекулами разных компонентов возможно только при эффективном их столкновении. Т. е., в химическую реакцию вступают только те молекулы, которые имеют соответствующую энергию. Молекулы, которые имеют такую энергию, называются активными. Избыточная энергия молекул называется энергией активации и зависит как от природы вступающих в реакцию веществ, так и от температуры среды. Для протекания химических и биохимических реакций в пищевых технологиях необходимо разорвать межмолекулярные связи реагирующих веществ. Если при столкновении молекулы имеют большую энергию и ее достаточно для разрыва связей, тогда химическая реакция произойдет, а если энергия молекул будет меньше необходимой, то столкновение будет неэффективным и реакция не наступит. При повышении температуры среды количество активных молекул увеличивается и одновременно увеличивается число столкновений между ними, в результате возрастает скорость химических реакций. При увеличении концентрации реагирующих веществ общее число эффективных столкновений молекул также увеличивается, как следствие — скорость реакции увеличивается. Большое значение для ускорения химических и биохимических реакций имеет катализатор. Его присутствие в пищевом сырье, которое перерабатывается на продукты питания, ускоряет реакции в тысячи раз. При этом реакции могут происходить и при низких температурах, которые удобны с экономической точки зрения. В пищевых технологиях большое количество гомогенных реакций катализируются действием ионов. К таким реакциям относятся инверсия сахарозы, гидролиз сложных эфиров, в том числе жиров. Ионы металлов катализируют реакции окисления и гидролиза. Например, ионы меди катализируют окисление аскорбиновой кислоты, а потому оборудование и аппараты для переработки плодов, ягод и овощей не следует изготавлять из меди и ее сплавов. Окисление пищевых жиров ускоряется под действием ионов железа, меди, марганца, а потому жир не нужно хранить в металлической таре. Большинство каталитических реакций в присутствии катализатора носят положительный характер, т. е. такой катализатор значительно ускоряет химические и биохимические реакции. Но в пищевых технологиях встречается и отрицательный катализ, когда катализатор снижает скорость реакций. Такой катализатор называется ингибитором. А когда ингибитор тормозит процесс окисления, тогда его называют антиоксидантом, или антиокислителем. Хранение и переработка пищевого сырья, а также хранение готовых продуктов питания связано, в основном, с реакциями гидролиза и окислительно-восстановительными реакциями (меланоидинообразования, сульфитация, окисление и др.). Гидролиз характеризуется разложением сложных веществ (белков, жиров, углеводов) на более простые под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды. Так, сахароза при нагревании с кислотами (молочной, лимонной, винной) гидролизуется и образует инвертный сахар — смесь глюкозы и фруктозы в равных пропорциях. Характерная особенность сахарозы в том, что скорость реакции ее гидролиза в тысячу раз больше, чем скорость реакции гидролиза мальтозы или лактозы. Инвертный сахар, т. е. смесь глюкозы и фруктозы, имеет такие характерные особенности, как гигроскопичность и антикристаллизация. Анти кристаллизационные свойства инвертного сахара дают возможность широко использовать его при производстве карамели и других продуктов и напитков. Замена сахара глюкозой и фруктозой в пищевых продуктах имеет лечебно-профилактический характер для человека. Важная роль в пищевой технологии принадлежит гидролизу крахмала, который при кипячении с кислотами превращается в глюкозу. К промежуточным продуктам в процессе гидролиза крахмала относят такие полисахариды, как декстрины. Чрезвычайно сложным окислительно-восстановительным процессом в пищевых технологиях является меланоидинообразование, когда низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты) вступают в реакцию с сахарами (фруктозой, глюкозой, мальтозой). В результате такой реакции аминокислоты и сахара раскладываются, образовывая темноокрашенные продукты, которые называются меланоидинами. Образование меланоидинов — основная причина потемнения пищевых продуктов в процессе их изготовления, особенно при сушении и термической обработке. Чрезвычайно интенсивно эта реакция протекает при температурах выше оптимальных (при выпекании хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, в процессе уваривания сахарных растворов, при сушении и термической обработке карамельного солода в пивоварении, в процессе тепловой обработки вин, при изготовлении фруктово-ягодных пюре, соков, повидла и др.). Для изготовления ряда пищевых продуктов и полуфабрикатов создают специальные условия для реакции меланоидинообразования. Это — получение пшеничного хлеба с приятным вкусом и ароматом, темного, карамельного и ржаного солода. При производстве ржаного солода, который используется при изготовлении хлебного кваса, в процессе проращивания ржи зерно подлежит специальной биотехнологической обработке — ферментации под действием протеолитических, амилолитических и цитолитических ферментов. При этом проходит интенсивный гидролиз белков, углеводов и других веществ. В результате таких реакций в солоде накапливаются аминокислоты и сахара, которые при повышенной температуре образовывают меланоидины, что придаёт будущему напитку или другим продуктам приятный вкус, аромат и цвет. Большую роль при сохранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов играет процесс окисления, который связан с химическими преобразованиями под действием света, кислорода и ферментов. При отсутствии кислорода процесс окисления не происходит. А присутствие в жирах кислорода и солей металлов как катализаторов значительно увеличивает скорость окисления. В то же время присутствие в жирах и жиросодержащих продуктах антиоксидантов снижает скорость их окисления. Наиболее активным натуральным антиоксидантом является витамин Е. Все биохимические и биотехнологические процессы в пищевых технологиях происходят при помощи ферментов — биологически активных естественных катализаторов белкового происхождения. Это — получение хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, спирта, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов, антибиотиков и др. Ферментативные процессы играют также важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерновых и бобовых культур, плодов, ягод, овощей, жира, жиросодержащих продуктов и др.). Кинетика биохимических процессов зависит от ряда факторов: концентрации фермента и субстрата, биохимической природы реагирующих веществ, температуры и реакции среды pH, присутствия активаторов и ингибиторов. Скорость биохимических процессов при переработке пищевого сырья зависит, в основном, от природы субстрата и его атакоспособности, т. е. податливости к действию ферментов, которая зависит от состава и структуры субстрата. Например, атакоснособность амилолитических ферментов крахмала, полученного из разных зерновых культур, неодинаковая. Она увеличивается с уменьшением размеров крахмальных зерен, т. е. при механическом действии на структуру зерен крахмала. Но действие амилаз на крахмал незначительно по сравнению с их действием на клейстеризованный крахмал. Поэтому в тех областях пищевой промышленности, где крахмал является источником образования сахаров за счет расщепления его амилолитическими ферментами, зерно или муку клейстеризуют путем разваривания. Такая технологическая обработка применяется в хлебопекарной, паточной и спиртовой промышленностях. Атакуемость белка протеолитическими ферментами зависит от строения белковой молекулы. Чем крепче структура белка, тем меньше эффективность атакуемости ферментов. Наиболее интенсивное влияние на активность ферментов и скорость биохимических процессов в пищевом сырье имеют температура и реакция среды. С повышением температуры активность ферментов возрастает и достигает максимума при оптимальной температуре для каждого отдельно взятого фермента. Температурный оптимум для ферментов растительного происхождения составляет около 40...50° С. Снижение активности фермента при повышении температуры связано с процессами денатурации белка, так как фермент — это органический естественный катализатор белкового происхождения. Полное прекращение действия фермента происходит при температурах, близких к 100° С, что не имеет отношения к термофильным ферментам, которые выдерживают короткое нагревание, равное температуре выше 100° С. Кроме того, каждый фермент проявляет свою активность в соответствующих границах значения pH. Зона наибольшей активности фермента называется оптимальной зоной pH. Разные ферменты значительно отличаются оптимальным для их действия значением pH. Одни имеют высокую активность в кислой среде, вторые - в нейтральной, третьи — в щелочной. Например, пепсин в желудочном соке имеет оптимум действия при pH = 2,0, а амилаза — при pH = 4,7...5,2. Следует отметить, что оптимальное значение pH для активного действия фермента зависит также от химического состава субстрата. В биотехнологических процессах пищевых технологий важную роль играют и ингибиторы ферментов, которые снижают их активность. Действие ингибиторов характеризуется блокированием сульфгидрильных связей фермента и превращением их в дисулъфидные группы. Ингибирование фермента может проходить также под действием белковых нерастворимых осадков. Это соединения солей тяжелых металлов (ртути, свинца, вольфрама), разных кислот и др. Окись углевода СО ингибирует ряд окислительно-восстановительных ферментов, в состав которых входит железо или медь. Ферменты обеспечивают последовательность многих сложных биохимических превращений в клетках животных, пищевого растительного сырья, полуфабрикатов и микроорганизмов. Все ферменты по своей структуре делятся на две группы: ферменты, в состав которых входят только белки, — однокомпонентные, ферменты, в состав которых входят белковое и органическое вещества небелковой природы. Последние ферменты являются двукомпонентными и служат основной массой всех ферментов. Важными биологически активными веществами многих ферментов есть витамины и их производные. В состав многих ферментов входят металлы как кофакторы, которые предоставляют им активность. Например, кофактором a-амилазы выступает кальций. Ряд ферментов усиливает свою активность в присутствии магния, цинка, марганца, меди и молибдена. Все ферменты как естественные катализаторы ускоряют реакции в биотехнологических процессах пищевых технологий в 108...109 раз. Это намного больше, чем активность химических катализаторов. Важной особенностью ферментов является то, что они катализируют преобразование лишь одного вещества. К преимуществу ферментов над химическими катализаторами следует отнести то обстоятельство, что они действуют при относительно низких температурах (от 20 до 70° С) и нормальном давлении. Таким образом, все биохимические процессы, которые протекают при производстве пищевых продуктов и их хранении, связаны с действием как своих ферментов пищевого сырья, гак и с действием ферментов, которые производятся микроорганизмами и используются в виде ферментных препаратов. В сырье ферменты находятся в свободном иди связанном виде. Например, при проращивании зерновых культур активность ферментов повышается, что связано с процессами их освобождения. Применение ферментных препаратов в пищевой промышленности разрешает интенсифицировать биотехнологические процессы, улучшить качество готовой продукции, увеличить ее выход и сэкономить энергоресурсы. Чрезвычайно большая роль в технологии пищевых продуктов принадлежит микроорганизмам, с помощью которых вырабатываются ферменты, пищевые и кормовые белки, витамины, аминокислоты, антибиотики, органические кислоты, липиды, гормоны, препараты для сельского хозяйства и т. д. Кроме того, в пищевой промышленности микроорганизмы используются для получения целого ряда пищевых продуктов и напитков. Так, алкогольные и безалкогольные напитки — вино, коньяк, пиво, спирт, ферментированные безалкогольные напитки, получают при помощи дрожжей и молочнокислых бактерий. В хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности — молочнокислые бактерии и т. п. В бродильной промышленности основным биологическим процессом является брожение, которое сопровождается такими микроорганизмами, как дрожжи. Брожение — это преобразование углеводов и органических соединений в ряд новых веществ под действием ферментов, которые продуцируются микроорганизмами. К основным группам микроорганизмов, которые используются в разных областях пищевой промышленности, относятся бактерии, дрожжи и плесневые грибы. Дрожжи широко применяются как возбудители брожения при производстве пива, спирта, вина, хлебного кваса, ферментированных напитков, а также в хлебопекарной промышленности для разрыхления теста. Для пищевой промышленности большое значение имеют дрожжи — сахаромицеты, которые образовывают споры и делятся на несколько родов. Род делится на виды, а отдельные разновидности видов делятся на расы. В каждой отрасли промышленности используют соответствующие расы дрожжей. Культурные дрожжи, которые применяются в бродильной промышленности, принадлежат к семейству сахаромицетов Saccharomyces cerevisiae, оптимальный температурный режим для их размножения находится в пределах 25...30° С. При температуре 40° С размножение дрожжей останавливается и клетки отмирают. Низкие температуры дрожжи переносят хорошо, но при этом их размножение останавливается. Дрожжи делятся на две труппы: верхового и низового брожения. Каждая группа имеет несколько отдельных рас. Дрожжи верхового брожения на стадии интенсивного брожения концентрируются на поверхности среды в виде толстого пласта пены и остаются в таком состоянии до истечения брожения. Потом они оседают без образования плотного слоя. Дрожжи низового брожения, оболочка которых клейкая, быстро слипаются и оседают на дно бродильного аппарата. К культурным дрожжам низового брожения принадлежит большинство пивных и виновных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения — хлебопекарные, спиртовые и некоторые пивные дрожжи. Некоторые расы дрожжей способны сбродить высокие концентрации сахара — до 60% и выдерживать высокие концентрации спирта — до 16%. Для развития, размножения и роста микроорганизмов нужна энергия, методы добывания которой бывают самые разные. Большинство микроорганизмов живут за счет энергии, которая образуется при окислении разных соединений кислородом. Такие микроорганизмы называются аэробами. Но есть и такие микроорганизмы, которые добывают энергию без участия кислорода, а лишь за счет окислительно-восстановительных реакций между органическими и неорганическими соединениями, которые находятся в субстрате. Такие микроорганизмы называются анаэробными. Кислород подавляет их развитие. Существуют также промежуточные микроорганизмы. Это факультативные аэробы и анаэробы. Известны факультативные микроорганизмы (дрожжи), которые способны в зависимости от условий развития переключаться из аэробного на анаэробный тип получения энергии для своего развития. Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат бактерии и некоторые дрожжи, получают энергию для своей жизнедеятельности, в основном, в процессе брожения. Примером такого типа получения энергии может быть спиртовое брожение, которое осуществляется дрожжами в анаэробных условиях. Молочнокислые бактерии, которые являются факультативными анаэробами, без участия кислорода осуществляют молочнокислое брожение, которое характеризуется преобразованием молекулы глюкозы в две молекулы молочной кислоты с выделением энергии Для интенсивного развития микроорганизмов, эффективного их размножения и осуществления биосинтеза какого-нибудь вещества, необходимы такие оптимальные условия: - состав и концентрация веществ питания; - присутствие активаторов и ингибиторов: - оптимальная температура; - оптимальное давление; - оптимальное значение pH; - интенсивное перемешивание среды; - оптимальное освещение и др. Для своего развития микроорганизмам нужен целый ряд необходимых элементов и соединений. К ним относятся: углевод, азот, фосфор, макро- и микроэлементы, биологически активные вещества, а также соли К, Mn, Fe и др. Если на клетки микроорганизмов действуют высокие концентрации веществ или вредных соединений (токсичных, радиоактивных и др.) в питательной среде, тогда происходит плазмолиз клетки - доля воды выделяется из клеток и протоплазма отделяется от клеточной оболочки. Таким образом, жизнедеятельность клетки прекращается частично или полностью. Для микробиологических процессов большое значение имеет реакция среды (pH). Каждая культура микроорганизмов характеризуется своим оптимальным значением pH, максимумом или минимумом. Также большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет кислород. Для аэробных микроорганизмов он жизненно необходим, а для анаэробных является тормозом их развития. Для факультативно-анаэробных микроорганизмов, например дрожжей, этот фактор не имеет заметного значения. Потребление кислорода клетками зависит от их концентрации в питательной среде. Чем значение концентрации клеток выше, тем более необходимо усиление аэрации. Большое значение для развития микроорганизмов имеет окислительно-восстановительный потенциал, который выражается в милливольтах или отрицательным логарифмом давления молекулярного водорода. Таким образом, степень аэробности или анаэробности характеризуется величиной окислительно-восстановительного потенциала. Чрезвычайно большое значение для развития и роста микроорганизмов имеет температура среды. Большинство микроорганизмов, которые применяются в пищевой промышленности, являются мезофиллами, их развитие проходит при оптимальной температуре 25...35° С. Психрофильные микроорганизмы растут при температуре среды 0...150 С, а термофильные — от 55 до 75° С. Нормальное функционирование микроорганизмов с оптимальным обменом веществ, ростом и размножением происходит только тогда, когда в клетке есть достаточное количество воды и она находится в свободной среде с раскрытыми питательными веществами и соединениями. При уменьшении содержания воды снижается интенсивность биохимических реакций. Вода является не только реакционной средой и растворителем веществ: при взаимодействии с водой происходит множество биохимических реакций при участии гидролитических ферментов, в результате которых образовываются новые вещества с новыми свойствами и характеристиками. Таким образом, когда в среде присутствует водный раствор и питательные вещества, а также сохраняются оптимальные значения температуры, pH, количества кислорода и др., внутри клеток микроорганизмов и на их поверхности начинаются ферментативные процессы, т. е. обмен веществ с окружающей средой. Из веществ, которые поступают в клетку, образовываются новые структурные элементы и внутриклеточные вещества, происходит ассимиляция. Одновременно происходят процессы распада веществ — диссимиляция. Рост и размножение клеток проходит тогда, когда первые процессы преобладают над вторыми. В результате роста и размножения клеток в среде увеличивается биомасса. Количество биомассы определяется сухой массой клеток в единице объема (мг/л, г/л, кг/м1), а если клетки имеют одинаковые размеры, тогда — числом клеток в единице объема (млн/мл, млрд/мл). Для многоразового использования в пищевой промышленности ферментных препаратов и микроорганизмов (дрожжей, молочнокислых бактерий и др.) и перехода на беспрерывные биотехнологические процессы необходимо совершенствовать и внедрять в производство систему их иммобилизации на экологически чистых носителях.

Автор:  Елена Челнокова

Показать все статьи