Микробиологические процессы

Микробиологические процессы широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. В их основе лежит использование в промышленности биологических систем и процессов, ими вызываемых. В основе многих производств лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов.

В настоящее время с помощью микроорганизмов производят кормовые белки, ферменты, витамины, аминокислоты и антибиотики, органические кислоты, липиды, гормоны, препараты для сельского хозяйства и т.д.

В пищевой промышленности микроорганизмы используются при получении ряда продуктов. Так, алкогольные напитки— вино, пиво, коньяк, спирт—и другие продукты получают при помощи дрожжей. В хлебопекарной промышленности используют дрожжи и бактерии, в молочной промышленности —молочнокислые бактерии и т.д.

Среди многообразия вызываемых микроорганизмами процессов одним из существенных является брожение.

Под брожением понимают превращение углеводов и некоторых других органических соединений в новые вещества под воздействием ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Известны различные виды брожения. Обычно их называют по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения, например спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и др.

Многие виды брожения— спиртовое, молочнокислое, ацетонобутиловое, уксуснокислое, лимоннокислое и другие, вызываемые различными микроорганизмами, — используют в промышленности. Например, в производстве этилового спирта, хлеба, пива применяют дрожжи; в производстве лимонной кислоты — плесневые грибы; в производстве уксусной и молочной кислот, ацетона¾ бактерии. Основная цель указанных производств превращение — субстрата (питательной среды) под действием ферментов микроорганизмов в необходимые продукты. В других производствах, например в производстве хлебопекарных дрожжей, главной задачей является накопление максимального количества культивируемых дрожжей.

Основные группы микроорганизмов, используемых в отраслях пищевой промышленности, — бактерии, дрожжевые и плесневые грибы.

Бактерии. Используют в качестве возбудителей молочнокислого, уксуснокислого, маслянокислого. ацетонобутилового брожения. Культурные молочнокислые бактерии используют при получении молочной кислоты, в хлебопечении, иногда в спиртовом производстве. Они превращают сахар в молочную кислоту.

В производстве ржаного хлеба важная роль принадлежит молочнокислым бактериям. В процессе получения ржаного хлеба участвуют истинные (гомоферментативные) и неистинные (гетероферментативные) молочнокислые бактерии. Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют летучие кислоты (в основном уксусную), спирт и диоксид углерода. Истинные бактерии в ржаном тесте участвуют только в кислотообразовании, а неистинные наряду с кислотообразованием оказывают существенное влияние на разрыхление теста, являясь энергичными газообразователями. Молочнокислые бактерии ржаного теста существенное влияние оказывают также на вкус хлеба, так как он зависит от общего количества кислот, содержащихся в хлебе, и от их соотношения. Кроме того, молочная кислота оказывает влияние на процесс образования и структурно-механические свойства ржаного теста.

Маслянокислое брожение, вызываемое маслянокислыми бактериями, используют для производства масляной кислоты, эфиры которой применяют в качестве ароматических веществ, а для спиртового производства эти бактерии опасны, так как масляная кислота подавляет развитие, дрожжей и инактивирует a-амилазу.

К особым видам маслянокислых бактерий относятся ацетонобутиловые бактерии, превращающие крахмал и другие углеводы в ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Эти бактерии используют в качестве возбудителей брожения в ацетонобутиловом производстве.

Уксуснокислые бактерии используют для получения уксуса (раствора уксусной кислоты), так как они способны окислять этиловый спирт в уксусную кислоту.

Следует отметить, что уксуснокислое брожение является вредным для спиртового производства. так как приводит к снижению выхода спирта, а в пивоварении ухудшает качество пива, вызывает его порчу.

Дрожжи. Широко применяются в качестве возбудителей брожения при получении спирта и пива, в виноделии, в производстве хлебного кваса, а также в хлебопечении для разрыхления теста.

Для пищевых производств имеют значение дрожжи — сахаромицеты, которые образуют споры, и несовершенные дрожжи — несахаромицеты (дрожжеподобные грибы), не образующие спор. Семейство сахаромицетов делится на несколько родов. Наиболее важное значение из этого семейства имеет род Saccharomyces (сахаромицеты). Род подразделяется на виды, а остальные отдельные разновидности вида, отличающиеся по некоторых признакам, называют расами. В каждой отрасли применяются определенные расы дрожжей.

Культурные дрожжи относятся к семейству сахаромицетов S.сегеvisiae. Температурный оптимум для размножения дрожжей находятся в пределах 25…30°С, а минимальная температура около 2...3 °С. При 40 °С рост прекращается и дрожжи отмирают, но низкие температуры дрожжи переносят хорошо, хотя размножение их приостанавливается.

Различают дрожжи верхового и низового брожения. В каждой из этих групп имеется несколько отдельных рас.

Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде довольно толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем они оседают, но не дают плотного осадка. Эти дрожжи относятся к пылевидным дрожжам и не склеиваются друг с другом в отличие от хлопьевидных дрожжей низового брожения, оболочки которых являются клейкими, что приводит к слипанию и быстрому осаждению клеток.

Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения относятся большинство винных и пивных дрожжей, а к дрожжам верхового брожения — спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Первоначально были известны только дрожжи верхового брожения, так как брожение различных соков происходило при обычной температуре. Желая получить напитки, насыщенные СО₂, стали вести брожение при низкой температуре. Под влиянием изменившихся внешних условий получились дрожжи низового брожения, нашедшие широкое распространение в промышленности.

В спиртовом производстве применяют верховые дрожжи вида S. сегеvisiae, которые обладают наибольшей энергией брожения, образуют максимум спирта и сбраживают моно- и дисахариды, а также часть декстринов.

В хлебопекарных дрожжах ценят быстро размножающиеся расы, обладающие хорошей подъемной силой и стойкостью при хранении. Подъемная сила определяется как особенностями рас дрожжей, так и способом ведения производства.

В пивоварении используют дрожжи низового брожения, приспособленные к сравнительно низким температурам. Пивные дрожжи должны быть микробиологически чистыми, а также обладать способностью к хлопьеобразованию, быстро оседать на дно бродильного аппарата и давать прозрачный напиток с определенными вкусом и ароматом.

В виноделии ценятся дрожжи, быстро размножающиеся, обладающие свойством подавлять другие виды дрожжей и микроорганизмы и придавать вину соответствующий букет. Дрожжи, применяемые в виноделии, относятся к виду S. vini, энергично сбраживают глюкозу, фруктозу, сахарозу и мальтозу. Большая часть винных дрожжей относится к дрожжам низового брожения. В виноделии почти все производственные культуры дрожжей выделены из молодых вин в различных местностях.

Зигомицеты. Ранее зигомицеты называли плесневыми грибами. Они играют большую роль в качестве продуцентов ферментов. Грибы рода Аspergillus продуцируют амилолитические, протеолитические, пектолитические и другие ферменты, которые используют в спиртовой промышленности вместо солода для осахаривания крахмала, в пивоваренной — при частичной замене солода несоложеным зерном и т. д.

В производстве лимонной кислоты А. niger является возбудителем лимоннокислого брожения, превращая сахар в лимонную кислоту.

Однако в ряде случаев плесневые грибы вызывают порчу пищевых продуктов.

Микроорганизмы в пищевой промышленности играют двоякую роль. С одной стороны, это культурные микроорганизмы, которые специально выращивают для нужд данного производства, используя особенности их биохимической деятельности и других свойств. С другой стороны в пищевые производства попадает инфекция, т. е. посторонние (дикие) микроорганизмы. Дикие микроорганизмы распространены в природе (на ягодах, плодах, в воздухе, воде, почве и т.д.) и из окружающей среды попадают в производство.

Это либо неопасные для здоровья человека сапрофиты, являющиеся, однако, вредителями производства, в результате их жизнедеятельности нарушается технологический процесс, возрастают потери сырья, снижаются выход и качество готовой продукции, либо патогенные микроорганизмы, которые могут нанести вред здоровью человека и явиться причиной тяжелых инфекционных заболеваний.

Источники инфекции могут быть как внешними (воздух, вода, сырье), так и внутризаводскими. К внутризаводским относятся воздух производственных помещений, технологическое оборудование, тара, в которых задерживаются остатки производственных жидкостей, являющихся питательной средой для микроорганизмов, а также руки, одежда и обувь обслуживающего персонала.

Для соблюдения правильного санитарно-гигиенического режима на пищевых предприятиях эффективным способом уничтожения и подавления развития посторонних микроорганизмов является дезинфекция.

На каждом предприятии проводят профилактические меры борьбы. Своевременно удаляют отходы производства, соблюдают чистоту во всех отделениях предприятия внутри аппаратов, оборудования и трубопроводов. Наряду с профилактическими мерами применяют и активные, меры борьбы с инфекцией, которые по характеру действующего средства делятся на физические и химические.

К физическим методам обеззараживания относятся различные способы стерилизации, основанные на губительном действии высоких температур на микроорганизмы: кварцевое и ультрафиолетовое облучение, ультразвук, действие высоких температур (обжигание, прокаливание, кипячение, ошпаривание посуды, тары и оборудования, обработка острым паром).

К химическим средствам обеззараживания относится большое количество различных дезинфицирующих веществ, обладающих антимикробным действием. Такие вещества называют антисептиками. В качестве антисептиков, применяют хлорную известь, формалин, антифомин (смесь растворов хлорной извести, гидроксида натрия и кабоната натрия), диоксид серы, серную кислоту, сульфанол и др.

Некоторые из этих антисептиков добавляют в небольших количествах в продукты, предназначенные для технологического процесса, другие используют для мойки аппаратуры и трубопроводов. Наряду с антисептиками для дезинфекции в некоторых случаях применяют антибиотики, в частности лактоцид. Часто для борьбы с вредными микроорганизмами сочетают стерилизацию и дезинфекцию.

Основное и дополнительное сырье пищевой и

перерабатывающей промышленности

Производство пищевых продуктов связано с использованием различных видов сырья. В зависимости от перерабатываемого сырья отрасли пищевой промышленности делятся на две группы:

- отрасли, занятые первичной переработкой сырья: мукомольно-крупяная, первичное виноделие, спиртовая, крахмало-паточная, сахарная и др.;

- отрасли, занятые вторичной переработкой сырья: хлебопекарная, макаронная, кондитерская, дрожжевая и др.

Предприятия первой группы используют природное сырье-продукцию сельского хозяйства (зерно, семена, картофель, свеклу, молоко и др.), для предприятий второй группы сырьем является продукция предприятий первой группы (мука, крахмал, патока, сахар, растительные масла).

Широкий ассортимент продуктов, вырабатываемых пищевой промышленностью, обусловливает использование огромного разнообразия сырья, различающегося по составу и свойствам. Целесообразно поэтому сырье разделить на отдельные группы по наиболее существенным признакам.

Существует несколько систем классификации сырья. Так, по происхождению сырье подразделяется на биологическое (растительное и животное) и минеральное. Биологическое, в свою очередь, делят на живое и биологически активное.

Живое сырье представляет собой объекты, способные к проявлению физиологических процессов – картофель, свекла, зерно. В биологически активном сырье способны протекать ферментативные процессы (молоко, мука, солод, фруктово-ягодное пюре). Из минерального сырья в пищевой промышленности используется поваренная соль.

По консистенции сырье классифицируют на сухое – зерно, мука, сахар, крахмал, сочное – картофель, плоды, ягоды, овощи, сахарная свекла, жидкое – вода, патока, растительное масло, молоко.

Сырье классифицируют и по преобладанию в нем какого-либо химического вещества. По этому принципу различают углеводсодержащее сырье (зерно злаков, картофель, плоды), жиросодержащее (семена масличных культур, жировая ткань мяса) и белковое (семена бобовых, мышечная ткань мяса).

В зависимости от объемов переработки в каждой отрасли сырье делят на основное и дополнительное. Так, в хлебопекарном производстве основным сырьем являются мука, дрожжи, соль, вода, дополнительным – сахар, жировые, молочные продукты.

Свойства сырья

Свойство продукции – это ее объективная особенность, которая может проявляться при ее создании, эксплуатации или потреблении.

Многообразие свойств сырья обусловлено его разнообразным химическим составом и структурой, кроме того свойства зависят от внешних факторов – температуры, давления, технологии получения. Свойства играют важную роль в характеристике качества сырья, обусловливают условия его перевозки и хранения, способы переработки.

Физические свойства

Форма и размер играют большую роль при оценке качества сырья. У плодов и овощей форма характеризует их ботанический вид и сорт. Размер нормируется для овощей, орехов и др.

Масса. При оценке качества используют показатель – масса единицы продукции. В некоторых случаях определяется масса 100 шт. (для орехов) или масса 1000 зерен (для зерна).

Плотностью называют массу данного вещества в единице объема. Плотность зависит от химического состава, концентрации сухих веществ, а также от температуры и давления. Плотность определяют при оценке качества молока и другого жидкого сырья, по плотности картофеля судят о содержании в нем крахмала.

Для сыпучего сырья (зерно, мука, картофель, свекла и др.) определяют объемную или насыпную массу, т.е. массу продукта в единице занимаемого им объема при свободной (с пустотами) укладке. Насыпная масса зависит от размера, формы, плотности и других факторов. Она учитывается при расчетах вместимости тары и хранилищ, выборе условий перевозки и хранения.