Биотехнология в пищевой промышленности

 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ  ЗАВЕДЕНИЕ

«ЗАПОРОЖСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ И ЗООЛОГИИ

 

 

 

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ  ЗАДАНИЕ

из курса “Промышленная  микробиология”

Биотехнология в  пищевой промышленности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запорожье

2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВСТУП……………………………………………………………………3
2. Особенности биотехнологии в пищевой промишленности…………..4
3. Биотехнология молочных продуктов………………………………….5
4. Биотехнология хлебопродуктов………………………………………..9
5. Бродильные производства……………………………………………..10
6. Биотехнология белковых продуктов………………………………….12
7. Пищевые и технологические добавки…………………………………14
8. Тестирование безопасности продуктов питания……………………...16
9. ВЫВОД…………………………………………………………………..18
10. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

 

Биотехнология используется для изготовления продуктов питания  уже на протяжении более 8000 лет.

Это производство основано на переработке сырья, в основном поставляемого сельским хозяйством, или же на использовании определенных веществ. Все органические вещества, применяемые в пищевой промышленности, в принципе могут использоваться микроорганизмами. При производстве продуктов питания микроорганизмы могут играть как положительную, так и отрицательную роль. Последняя, видемо более выражена, так как  размножение микробов может вызвать  нежелательные изменения качества пищевых продуктов или их внешнего вида. При этом нередко образуются вещества, обладающие токсическим дейсвием. Наиболее опасним следствием размножения микробов в пищевих продуктах являэтся образование токсинов. Некоторые микроорганизмы при подходящих условиях образуют токсины вызывающие серьезные заболевания или даже смерть.

В биотехнологии микроорганизмы играют положительную роль. Биотехнология позволяет улучшить качество, питательную ценность и безопасность как сельскохозяйственных культур, так и продуктов животного происхождения, составляющих основу используемого пищевой промышленностью сырья.

Кроме того, биотехнология  предоставляет массу возможностей усовершенствования методов переработки  сырья в конечные продукты: натуральные  ароматизаторы и красители; новые  технологические добавки, в том  числе ферменты и эмульгаторы; заквасочные  культуры; новые средства для утилизации отходов; экологически чистые производственные процессы; новые средства для обеспечения  сохранения безопасности продуктов  в процессе изготовления; и даже биоразрушаемую пластиковую упаковку, уничтожающую бактерии.

 

Особенности биотехнологии в пищевой промишленности

 

 

Существует две разновидности  биотехнологии, различающиеся по ценности получаемых продуктов и по масштабу их производства. Биотехнология маломасштабного производства, дающего дорогую продукцию специального назначения, сильно отличается от биотехнологии пищевой промышленности. Так как пищу получают из относительно недорогого сырья и относительно дешевыми способами. Стоимость конечного продукта не оправдывает дорогостоящих исследований по модернизации производства, как это имеет место, например, при плучении антибиотиков, это и не требуется. Даже производство микробных ферментов и их использование в пищевой промышленности, связаное с применением сложной технологии, правильно было бы считать биотехнологией крупномасштабного производства дешовых продуктов. Так как ферментные препараты высокой чистоты дорогие их не применяют при выработке пищевых продуктов, а используют полуочищенные ферменты. Очистку проводят до такой степени, чтобы их можно было применять в относительно небольшом обьеме. К исключениям относится тот случай, когда фермент иммобилизуют на твердом носителе, сквозь который пропускают субстрат. В таких проточных реакторах фермент успешно используется многократно и это оправдывает применение высокоочищенных преператов. По этим причинам главними в биотехнологии пищевой промышленности являвтся методы крупномасштабного производства продуктов.

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, общирен: от вырабатываемых с древних  времен за счет брожения хлеба, сыра, йогурта, вина и пива до новейшего вида пищевого продукта – грибного белка микопротеина. Микроорганизмы при этом играют разную роль: используются продуцируемые ими ферменты или другие метаболиты, с их помошью сбражевается пищевое сырье, а некоторые из них вырыщиваются для непосредственного потребления. В пищевой промышленности для осуществления процессов применяют как чистые культуры микроорганизмов, так и дикие формы, содержащиеся в значительном количестве в сырье, которые начинают размножаться при создании надлежащих условий. Последний способ особенно характерен для традиционных бродильных производств, зародившихся во времена, когда о микробах еще ничего не знали. В мире промышленного производства такие процессы обычно ведутся под гораздо более строгим контролем. Особенно это относится к выбору штамма и чистоте культур используемых микроорганизмов.

 

Биотехнология молочных продуктов

 

 

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен. Это продукты, получаемые в результате брожения - хлеб, сыр, вино, пиво, творог и так далее. До недавнего времени  биотехнология использовалась в  пищевой промышленности с целью  усовершенствования освоенных процессов  и более умелого использования  микроорганизмов, но будущее здесь  принадлежит генетическим исследованиям  по созданию более продуктивных штаммов  для конкретных нужд, внедрению новых  методов в технологии брожения.

Получение молочных продуктов в  пищевой промышленности построено  на процессах ферментации. Основой  биотехнологии молочных продуктов  является молоко. Молоко (секрет молочных желез) - уникальная естественная питательная  среда. Она содержит 82-88% воды и 12-18% сухого остатка. В состав сухого молочного остатка входят белки (3,0-3,2%), жиры (3,3-6,0%), углеводы (молочный сахар лактоза - 4,7%), соли (0,9-1%), минорные компоненты (0,01%): ферменты, иммуноглобулины, лизоцим и т.д. Молочные жиры очень разнообразны по своему составу. Основные белки молока - альбумин, казеин. Благодаря такому составу молоко представляет собой прекрасный субстрат для развития микроорганизмов. В сквашивании молока обычно принимают участие стрептококки и молочнокислые бактерии. Путем использования реакций, которые сопутствуют главному процессу сбраживания лактозы получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и т.д. Свойства конечного продукта зависят от характера и интенсивности реакций ферментации. Те реакции, которые сопутствуют образованию молочной кислоты, определяют обычно особые свойства продуктов. Например, вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, находящиеся в молоке.

Все технологические процессы производства продуктов из молока делятся на две  части: 1) первичная переработка - уничтожение  побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка. Первичная переработка молока включает в себя несколько этапов. Сначала  молоко очищается от механических примесей и охлаждается, чтобы замедлить  развитие естественной микрофлоры. Затем  молоко сепарируется (при производстве сливок) или гомогенизируется. После  этого проводят пастеризацию молока, при этом температура поднимается  до 80^оС, и оно закачивается в танки или ферментеры. Вторичная переработка молока может идти двумя путями: с использованием микроорганизмов и с использованием ферментов. С использованием микроорганизмов выпускают кефир, сметану, творог, простокваши, казеин, сыры, биофруктолакт, биолакт, с использованием ферментов - пищевой гидролизат казеина, сухую молочную смесь для коктейлей и т.д. При внесении микроорганизмов в молоко лактоза гидролизуется до глюкозы и галактозы, глюкоза превращается в молочную кислоту, кислотность молока повышается, и при рН 4-6 казеин коагулирует.

Молочнокислое брожение бывает гомоферментативным и гетероферментативным. При гомоферментативном брожении основным продуктом является молочная кислота. При гетероферментативном брожении образуются диацетил (придающий  вкус сливочному маслу), спирты, эфиры, летучие жирные кислоты. Одновременно идут протеолитические и липолитические процессы, что делает белки молока более доступными и обогащает  дополнительными вкусовыми веществами.

Для процессов ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов  молочнокислых грибков и молочнокислых  бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не удалось, поэтому поддерживается культура, выделенная из природных источников. При подборе  культур для заквасок придерживаются следующих требований:

- состав заквасок зависит от  конечного продукта (например, для  получения ацидофилина используется  ацидофильная палочка, для производства  простокваши - молочнокислые стрептококки);

- штаммы должны отвечать определенным  вкусовым требованиям; 

- продукты должны иметь соответствующую  консистенцию, от ломкой крупитчатой  до вязкой, сметанообразной; 

- определенная активность кислотообразования;

- фагорезистентность штаммов (устойчивость  к бактериофагам);

- способность к синерезису (свойству  сгустка отдавать влагу);

- образование ароматических веществ; 

- сочетаемость штаммов (без антагонизма  между культурами);

- наличие антибиотических свойств,  т.е. бактериостатическое действие  по отношению к патогенным  микроорганизмам; 

- устойчивость к высушиванию. 

Культуры для заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится направленный мутагенез  и отбор штаммов, отвечающих перечисленным  выше требованиям. Биотехнологии на основе молока включают, как правило, все основные стадии биотехнологического  производства, которые можно рассмотреть  на примере сыроварения.

Производство сыра, или сыроделие (сыроварение) - один из древнейших процессов, основанных на ферментации. Сыры бывают самые разнообразные - от мягких до твердых. Мягкие сыры содержат много воды, 50-60%, а твердые - мало, 13-34%. На первом этапе идет подготовка молока (первичная обработка). На втором - готовится культура молочнокислых бактерий. Микроорганизмы подбираются в определенной пропорции, обеспечивающей наилучшее качество. Набор бактерий также зависит от температуры термообработки. Третья стадия - стадия ферментации, - в сыроварении в некоторых случаях происходит в 2 этапа, до и после стадии выделения. Сначала молоко инокулируют определенными штаммами микроорганизмов, приводящими к образованию молочной кислоты, а также добавляют сычужный фермент реннин. Реннин ускоряет превращение жидкого молока в сгусток (створаживание) в несколько раз. Эта реакция активируется молочной кислотой, вырабатываемой бактериями. Функции реннина могут выполнять и другие протеиназы, но реннин также участвует в процессах протеолиза, происходящих в сыре при созревании. После образования сгустка сыворотку отделяют, а полученную творожистую массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созревание. Иногда полученная масса происходит дополнительную обработку, которая заключается в следующем: заражение спорами голубых плесневых грибов при производстве рокфора; нанесение на поверхность спор белых плесневых грибов при производстве камамбера и бри; нанесение бактерий, необходимых для созревания некоторых сыров. Некоторые сыры после выделения должны подвергнуться дальнейшей ферментации (стадия созревания). Микроорганизмы и ферменты в ходе этого процесса гидролизуют жиры, белки и некоторые другие вещества молодого сыра. В результате их распада образуются вещества, придающие сырам характерный вкус.

Процессы ферментации при производстве многих молочных продуктов, таких как  сметана, творог, многие сыры идут в  ферментерах открытого типа. Как  правило, они занимают немного времени. К одним из самых простых относят  производство кефира, простокваш, сметаны  и масла. Например, при производстве сметаны к сливкам добавляют 0,5-1% закваски, используемой при производстве масла. Далее продукт выдерживают, пока концентрация кислоты не достигнет 0,6%. В заключение хотелось бы добавить, что процессы получения молочнокислых  продуктов весьма просты и доступны для воспроизводства в домашних условиях. Они не требуют строгих  условий соблюдения стерильности, протекают, как правило, при комнатной или  чуть повышенной температуре. Собственно, изначально они были одними из первых "домашних" биотехнологий, которые  были позднее поставлены на промышленную основу.

 

 

Биотехнология хлебопродуктов

 

 

Для производства хлеба до сих пор применяют в основном дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Обычно их растят в ферментерах периодического действия на мелассе (свекловичной или сахарного тросника).

В простейшем случае готовят  тесто, смешивая при комнатной температуре  муку, воду, дрожжи и соль. При замесе слои теста перемещаются, создаются  условия для образования пузырьков  газа и подьема теста. Замешанному  тесту дают возможность «подойти», а затем режут на куски нужного  веса, формируют(при этом тесто раскатывают  и складывают, чтобы получить нужную текстуру) и выдерживают во влажной  атмосфере. При выдержке и на первой, следующей за ней стадии выпечке образовавшиеся при замесе и формовке «зародыши» газовых пузырьков наполняются углекислым газом. Он выделяется в ходе анаэробного сбраживания глюкозы и мальтозы муки. Поднявшееся тесто выпекают. В ходе этого термического процесса крахмал желатинизируется, дрожжи погибают и тесто частично обезвоживается. В результате мы получаем имеющий определенную форму, плотный по консистенции продукт с легкой ячеистой структурой и очень вкусной корочкой.

Помимо углекислого газа при анаэробном брожении образуются разнообразные органические кислоты, спирты и эфиры. Все они заметно  влияют на формирование вкуса хлеба.

В Германии и США из ржаной муки выпекают хлеб с кислинкой. Основа технологии здесь та же, что и  при выпечке хлеба из пшеничной  муки, но при замесе к тесту добавляют  предварительно сброженную смесь ржаной муки и воды, заквашенную смешанной  культурой лактобацилл. Содержащаяся в этой закваске (опаре) кислота и  придает хлебу особый вкус.