Біотехнологічні процеси в молочній промисловості

У харчовій промисловості ферментацію застосовують для одержання молочних продуктів. При сквашуванні молока звичайно беруть участь стрептококи і молочнокислі бактерії; лактоза при цьому перетворюється на молочну кислоту.. Серед продуктів переробки молока — сироватка, сколотина, кефір, сметана, йогурт, сир та інші. Властивості кінцевого продукту залежать від характеру й інтенсивності реакцій ферментації. Ті реакції, що супроводжують основний процес утворення молочної кислоти, визначають звичайно особливі властивості продуктів. Так, саме вторинні реакції ферментації, що відбуваються при дозріванні сирів, визначають смак окремих його сортів. У таких реакціях беруть участь пептиди, амінокислоти і жирні кислоти, продукти їх перетворення.

У молоці при ферментації можуть протікати шість основних реакцій, і в результаті утворюються молочна, пропіонова, лимонна кислота, спирт, масляна кислота, відбувається газоутворення. Головна з цих реакцій – молочнокисле бродіння. На ньому засновані всі процеси виробництва молочнокислих продуктів. Лактоза молока гідролізується при цьому з утворенням галактози і глюкози. Галактоза ізомеризується в глюкозу ще до сквашування. Наявні в молоці бактерії перетворюють глюкозу в молочну кислоту. Утворення згустку казеїну відбувається в ізоелектричній точці цього білка (рН 4,6) під дією молочної кислоти. Цей процес лежить також в основі сироваріння.

При виробництві сичужного сиру ключову роль відіграє маслянокисле бродіння з утворенням вуглекислого газу. Саме воно обумовлює своєрідний смак (букет) цих сирів і утворення вічок. Характерний смак сколотини, сметани і вершкового сиру формується в результаті присутнього лимоннокислого бродіння, а також утворених діацетилу, пропіонової і оцтової кислот та інших близьких до них сполук.

Різні процеси ферментації молока проводять сьогодні у контрольованих умовах. Протягом багатьох минулих тисячоріч вони здійснювалися з участю мікроорганізмів, присутніх у молоці. У наш час для цього використовують різноманітні чисті „закваски”, що дозволяють одержувати певні молочні продукти потрібної якості. Культури живих бактерій, що застосовуються при цьому, можуть одного виду (культури моноштамів), або містити декілька штамів чи видів (багатоштамові чи змішані культури). Комерційні культури-заквасок складаються з бактерій, що утворюють молочну кислоту і смакові речовини. У табл. 1 перераховані деякі види бактерій, що використовуються при виробництві молочних продуктів методом ферментації, і зазначена їх роль у цих процесах, а також продукти, які одержують з їх участю. Вибір і склад комбінацій з цих штамів і видів бактерій визначаються бажаними властивостями й умовами одержання продуктів, наприклад швидкістю утворення молочної кислоти та ін.

Таблиця 1. Функціональна роль деяких бактерій, які використовуються при переробці молока

Культура	Функція	Використання
Propionibacterium Р. shermanii Р. petersonii	Формування смаку, утворення вічок	Виробництво швейцарського сиру
Lactobacillus L. easel L. helveticus L. bulgaricus L. lactis	Утворення кислоти	Дозрівання, закваска для швейцарського сиру, виробництво сирів типу швейцарського
Leuconostoc L. dextranlcum L. citrovorum	Утворення смакових речовин з лимонної кислоти, діацетилу	Виробництво сметани, вершкового масла, заквасок
Streptococcus S. thermophilus S. lactis S. cremoris	Утворення кислоти	Виробництво йогурту і швейцарського сиру, закваски для сирів

А) Виробництво сиру

Сироваріння - один з найдавніших процесів, заснованих на ферментації. При виробництві сиру зберігається живильна цінність молока. Сир згадується в книгах фіфлософів Древньої Греції і Риму. Відомі найрізноманітніші сири - від дуже м’яких до твердих. Різниця між ними визначається тим, що всі натуральні м’які сири містять більше води: 50—60%, а тверді - всього лише 13—34%. Хоча властивості сирів надзвичайно різноманітні, у процесі їх виробництва є багато спільного.

Перший етап - це підготовка культури молочнокислих бактерій і засів нею молока. Потім молоко створожують, для чого зазвичай застосовують фермент ренін. Після відділення сироватки масу піддають термообробці і пресують у формах. Далі згусток солять і ставлять на визрівання.

Інокуляція

У минулому сировари покладалися на бактерії, присутні в натуральному молоці. Присутність у ньому як необхідних, так і небажаних мікробів приводила до того, що різні партії сиру відрізнялися одна від одної.

У наші дні в сироварінні переважно використовують молоко з мінімальною кількістю бактерій і застосовують закваски, які містять різні мікроорганізми у пропорції, яка забезпечує найкращу якість. Вибір бактерій визначається температурою термообробки (табл. 2) та бажаних властивостей сиру.

Таблиця 2.Закваски, які використовують при різних температурах обробки згустку у виробництві сиру

Закваска	Температура формування згустку, °С
S. lactis чи S. cremoris S. thermophilus + S. Lactis S. thermophilus + L. bulgaricus чи L. helveticus чи L. lactis	> 38 42—46 49—54

Утворення молочної кислоти дуже важливе в сироварінні: 1) вона сприяє утворенню згустку при додаванні реніну; 2) зменшує об’єм згустку, що полегшує видалення сироватки; 3) молочна кислота перешкоджає розвитку небажаних мікроорганізмів у процесі виробництва і при дозріванні сиру; 4) вона впливає на еластичність згустку і сприяє злипанню і затвердінню сирної маси; 5) позначається на характері і вираженості ферментативних перетворень при дозріванні, бере участь у формуванні смакового букету сиру.

При виробництві різних сортів сиру швидкість утворення кислоти залежить від застосування визначених заквасок. Новинка в цій області — концентровані, заморожені або ліофільно висушені закваски, які сировари додають прямо в молоко. Склад заквасокз часом міняється

Утворення згустку

Після внесення закваски для формування згустку і видалення сироватки зазвичай додають сичуг. Роль останнього полягає в перетворенні рідкого молока в гель (згусток). Якщо екстракт сичуга не застосовується, то одержують творожисту масу параказеїнату кальцію. Відмінність між двома цими способами створожування молока в тому, що без сичуга воно займає до 16 год., а з ним—всього 15—30 хв. Час, що проходить від моменту додавання закваски до внесення сичуга, називається часом визрівання молока (до 60 хв. у залежності від сорту сиру). За цей період бактерії встигають виробити досить кислоти, щоб активувати ренін.

Сичуг, який застосовується у сироварінні,—це екстракт 4 відділу шлунка телят, ягнят, який містить фермент ренін Через нестачу цієї сировини були розпочаті пошуки його замінників. Функції реніну можуть виконувати більшість протеїназ, однак ренін крім утворення згустку молока бере участь і в протеолізі, що відбувається в сирі при дозріванні. Більшість відомих замінників реніну володіють більшою, ніж у сичуга, протеолітичною активністю. Така надлишкова активність може зменшувати вихід сиру і вміст у ньому жирів. Крім того, деякі продукти протеолізу спотворюють смак готового сиру. Так, гіркота сиру обумовлена деякими пептидами, що утворюються в сирах при тривалому визріванні. Найкращі замінники реніну були отримані із цвілевого гриба Mucor miehei, і М. pusillus. У США 60% сиру виробляється за допомогою коагулянтів з мікробів. Майбутнє цієї галузі пов’язане із застосуванням методів генетичної інженерії: ренін уже синтезують бактерії.

Термообробка і пресування

Після коагуляції згустки подрібнюють, що сприяє повному відділенню сироватки. Потім цю суміш визначений час нагрівають, відокремлюють сироватку і створюють умови для визрівання. У ході цієї операції, як і при наступних обробках, створюється характерна текстура сиру. Після цього проводять пресування і соління, а також, за необхідності іншу, особливу обробку.

Така особлива обробка потрібна при виробництві окремих сортів сиру і полягає в наступному: 1) зараженні згустку спорами голубих цвілевих грибів при виробництві рокфору і голубих сирів; 2) нанесення на поверхню спор білих цвілевих грибів при виробництві камамбера і брі; 3) нанесення бактерій, потрібних для дозрівання деяких сирів. Прикладом таких бактерій поверхневого дозрівання є Brevibacterium linens.

Визрівання сиру

На наступному етапі сири відправляють на визрівання. Дозрівання відбувається у спеціальних приміщеннях з контрольованою температурою і триває від декількох місяців до двох років. Залежно від сорту сиру температура визрівання варіює від 2 до 16 °С. Мікроорганізми і ферменти в ході цього процесу гідролізують жири, білки і деякі інші речовини молодого сиру. У результаті їхнього розпаду утворюються речовини, що надають сирам характерного смаку. Оскільки процес це тривалий, скорочення його економічно вигідне і необхідне. Більшість способів прискорення визрівання основані на збільшенні швидкості ферментативного перетворення білків сиру.

Обнадійливі результати отримані з однією із протеїназ Bacillus subtilis - нейтразою. Для сирів із середньою інтенсивністю смаку час дозрівання був скорочений з чотирьох до двох місяців, а для сирів з повним смаком – із двадцяти до шести. Нейтраза зручна і тим, що при витримуванні сиру при 6°С, швидкість дозрівання стає такою ж, як у сирів без добавки ферментів, що при падінні попиту на сир дає великі переваги.

При використанні ферментів, що додаються до молока, частина їх губиться із сироваткою при відділенні її від згустку. Це неефективно і, крім того, наявність ферментів у сироватці ускладнює її продажу. Для вирішення цих проблем запропоновано використовувати ферменти, іммобілізовані в мікрокапсулах.

Зменшити час виробництва і визрівання сирів можна, використовуючи молоко з гідролізованою лактозою. Гідроліз лактози до глюкози і галактози здійснюється b-галактозидазою (лактазою). Для цього в сире молоко додають S. lactis; при цьому лактоза гідролізуєтся на 70%. Прискорення виробництва і дозрівання сиру відбувається у результаті стимулюючого впливу глюкози на ріст бактерій закваски і утворення ними кислоти. Механізм дії молока з гідролізованою лактозою до кінця не з’ясований, але відомо, що сири, отримані на цій основі, дійсно дозрівають швидше.

Прискорити визрівання сиру можна ще одним способом — збільшивши кількість бактерій у заквасці. При цьому вміст протеїназ і пептидаз буде вищим, що і приведе до прискорення процесу. Важливо, не збільшити швидкість нагромадження кислоти, що має велике значення при виробництві сирів. Сьогодні для запобігання зайвого нагромадження кислоти генетично обумовлені властивості бактерій заквасок змінюють методами теплового шоку, обробкою розчинниками та ін. Використання заквасок на основі таких мутантів приводить до більш швидкого дозрівання, початкові етапи процесу при цьому не змінюються. Головна перевага їх у тім, що на відміну від ферментів модифіковані закваски — це природний компонент системи. У табл. 3 приведені приклади використання ферментних добавок для прискорення дозрівання сирів.

Тип сиру	Ферменти, що додаються	Стадія додавання
тип	джерело
Cheddar	Кислі і нейтральні протеїназы, пептидазы, ліпази, декарбоксилазы	Комерційні препарати і ферменти тварин	Згусток
Cheddar Romano Parmesan.	Ліпаза, протеїназа	Екстракт шлунка телят	Молоко, згусток
Gouda Edam, Cheddar	Протеїназа Протеїназа	Aspergillus orezae Pseudomonas fluorescens	Те ж Молоко
Rossiiskii	Протеїназа	Панкреатин	- “–
Mozzarella	Ліпази, естерази (мікроінкапсульовані)	Секрет із сичуга телят	– “ –
Blue	Ліпаза	Aspergillus spp.	Згусток

В)Йогурт

Це одинз найдавніших продуктів, одержуваних шляхом ферментації. Після термообробки молоко заквашують додаванням 2—3% закваски йогурту. Головну роль тут відіграють бактерії Streptococcus thermophillus і Lactobacillus bulgaricus. Для одержання бажаної консистенції продукту, смаку і запаху ці організми повинні міститися в культурі приблизно в рівних кількостях. Кислоту на початку зквашування утворить в основному S. thermophillus. Змішані закваски потрібно часто поновлювати, оскільки повторні пересівання несприятливо позначаються на співвідношенні видів і штамів бактерій: у них починає домінувати L. bulgaricus.

Масло

З молочних продуктів найпростіше одержувати масло. Залежно від сорту масла використовують вершки з концентрацією від 30—32 до 30—40%. При збиванні емульсія масла у воді перетворюється в емульсію води в маслі.

При виробництві масла для поліпшення смаку і кращого зберігання використовують особливі культури бактерій. Створені спеціальні штами бактерій, відібраних по здатності синтезувати потрібні смакові речовини. Першими були використані штами Streptococcus lactis і близькі види, а потім — змішані культури, що включають Streptococcus lactis, Leuconostoc citrovorum і L. dextranicum.

Крім поліпшення смаку, таким шляхом вдається усунути деякі небажані присмаки. Перспективний спосіб - додавання ліпаз.

Кефір

Продукт одержують із свіжого, а частіше, із обезжиреного молока шляхом додавання закваски. Ця закваска являє собою суміш молочнокислих стрептококів (S. lactis чи S. cremoris) і утворюючих ароматичні речовини бактерій (L. citrovorum і L. dextranicum). І ті й інші бактерії потрібні для формування повноцінного смаку і запаху; стрептококи при цьому домінують. Роль молочнокислих стрептококів у заквасці полягає в утворенні молочної кислоти, звертанні молока і зниженні рН до значень, при яких бактерії синтезують найбільшу кількість летких кислот.

Сметана

Її готують майже так само, як і кефір. До вершків додають 0,5—1% закваски. Далі продукт витримують, поки концентрація кислоти не досягне 0,6 % і охолоджують.

с) Нові продукти молочної галузі

Відомо, що деякі люди не переносять лактозу; для них необхідно випускати молоко, оброблене b-галактозидазою—ферментом, що знижує вміст лактози. Для цієї мети розроблений промисловий спосіб виробництва такого молока. Галактозидазу одержують із дріжджів, плісняви і бактерій, але для обробки молока ефективнішою виявилась дріжджова лактаза (Saccharomices lactis) , яку іммобілізують заключенням краплинок фермента у волокні ТАЦ. Її мотки дуже рихло розміщують паралельно осі реактора, закріплюючи зверу й знизу. Це забезпечує велику площу поверхні фермента і невеликий опір течії рідини. Молоко обезжирюють, стерилізують 3 с при 142° С, потім швидко охолоджують. Молоко– колоїдний розчин і для збереження його якості та попередження мікробного забруднення його необхідно обробляти при низьких t⁰. За цих умов зниження активності фермента вимагає довшого контакту з ним молока в реакторі. Для цього продукт з великою швидкістю 7л/хв. (щоб не було забивання реактора) багаторазово циркулює через реактор до досягнення 75% ступеня конверсії лактози. Стійкість ТАЦ виключає попадання носія в продукцію, іммобілізований фермент високостабільний. 0,5 кг ферментовмісних волокон після переробки 500 тис. л. молока при 4-7° С втрачають лише 10% ферментної активності. Для попередження мікробного забруднення колонки періодично промивають. Вперше цей процес здійснено у 1975р. в Італії. Установка має реактор висотою 20м, потужністю 8000 л молока в день. У ньому було іммобілізовано 4 кг лактази, активність якої на протязі 50 днів роботи знизилась на 20 %. (Рис.1)

Рис.1 Схема установки для одержання безлактозного молока за участю імобілізованої лактази

Сироватка

Сироватка — це побічний продукт сироваріння в якій міститься близько 5% лактози. Не дуже давно її відносили до відходів промисловості, але останнім часом намітилися зміни: все популярніше стає використання сироватки для виробництва підсолоджувачів за допомогою лактазы. Дисахарид лактози має низьку солодкість і розчинність. Під дією галактозидази він гідролізується з утворенням глюкози і галактози. В Англії(з 1978 р )діє напівпромислова установка), Фермент іммобілізований на пористому силікагелі ковалентним зв’язуванням з допомогою глутарового альдегіду (Англія, Франція). У біореактор, потужністю 500 л/год, поступає попередньо пастеризована, депротеінізована, демінералізована сироватка. Ступінь конверсії лактози – 80%. (Рис.2) Одержані при цьому глюкозу і галактозу використовують в хлібопеченні, кондитерській промисловості і для виробництва морозива. Лактазу одержують з Aspergillus niger. Одержання цукрів із сироватки налагоджено у США, в багатьх країнах Євросоюзу та ін.

Рис.1 Схема установки для одержання безлактозного молока за участю імобілізованої лактази

3. Біотехнологія і хлібопродукти. Продукти переробки крохмалю.

Для виробництва хліба застосовують в основному дріжджі Saccharomyces cerevisiae. Звичайно їх вирощують у ферментерах періодичної дії на мелясі - відходах цукрового виробництва.

Готують тісто, замішуючи при кімнатній температурі борошно, воду, дріжджі і сіль. Тісту дають можливість «підійти», а потім ділять на шматки потрібної ваги, формують і витримують. При цьому і наступній стадії випічки «зародки» газових пухирців наповняються вуглекислим газом. Він виділяється в процесі анаэробного зброджування глюкози і мальтози борошна. Тісто, що піднялося, випікають. Крохмаль клейстеризується за рахунок вологи, випрасуваної білками при денатурації, утворюється структура хліба, дріжджі гинуть і тісто частково обезводнюється.

Крім вуглекислого газу при анаэробному бродінні утворюються різноманітні органічні кислоти, спирти й ефіри. Усі вони впливають на формування смаку хліба.

З житнього борошна випікають хліб з „кислинкою”. Основа технології тут та ж, що і при випіканні хліба з пшеничного борошна, але при замісі до тіста додають попередньо зброджену суміш житнього борошна і води, заквашену змішаною культурою лактобактерій. Кислота, яка міститься в цій заквасці (опарі) додає хлібу особливого смаку і зміцнює структуру житнього хліба, у якому низький вміст клейковинних білків.