ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ А.Ю. Просеков НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Кемеровский технологический институт
пищевой промышленности
А.Ю. Просеков
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА
ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Кемерово 2005
УДК 641 (075)
ББК 36 (Е7)
П 82
Рецензенты:
Т.Л. Остроумова - заместитель директора по научной работе Всероссийского научно-исследовательского института молочной промышленности РАСХН, кандидат технических наук; А.А. Малин директор ОАО «Мелькорм», кандидат технических наук
Просеков А.Ю.
П 82 Научные основы производства продуктов питания: Учебное
пособие / Кемеровский технологический институт пищевой
промышленности. - Кемерово, 2005.- 234 с.
ISBN 5-89289-324-3
В учебном пособии рассматрены вопросы, касающиеся современного состояния
и перспектив развития отечественной пищевой промышленности, проанализированы
основные положения концепции государственной политики в области здорового питания населения РФ, обобщены социально-экономические вопросы производства
продуктов питания для различных групп населения.
Приведены сведения о научных основах производства самых разнообразных
продуктов питания. С современных позиций раскрыты принципы и закономерности
формирования дисперсных систем пищевых продуктов, в том числе обладающих
функциональным свойствами. Подробно рассмотрены биотехнологические принципы
производства продуктов питания. Отдельная глава посвящена особенностям проектирования рецептур функциональных продуктов.
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности 271400 - Технология продуктов детского и функционального питания
направления 655700 - Технология продуктов специального назначения и общественного питания, а также может быть полезно аспирантам и работникам пищевой промышленности.
ISBN 5-89289-324-3
П
4001000000
У50(03)-03
© А.Ю. Просеков, 2005
© Кемеровский технологический институт
пищевой промышленности, 2005
2
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Настоящее учебное пособие представляет собой издание, которое интегрирует самые разнообразные, как научные, так и практические аспекты производства продуктов питания, и предназначено
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 271400 - Технология продуктов детского и функционального питания направления 655700 - Технология продуктов специального назначения и общественного питания. Государственный
образовательный стандарт по этому направлению и специальности
утвержден приказом Министерства образования Российской Федерации 02.03.2000 г., №686 (номер госрегистрации 183 тех/дс).
Известно, что современная пищевая технология аккумулирует
значительное количество смежных дисциплин - физиологии питания, медицины, физической и коллоидной химии, биохимии, биотехнологии, процессов, машин и аппаратов пищевых производств,
товароведения и ряда других. Каждой из дисциплин посвящено
множество публикаций, в том числе фундаментальных. Это, с одной стороны, позволяет заинтересованным лицам детально изучить
материал, а с другой сводит проблемы производства и реализации
продуктов питания к частностям, что не всегда является полезным.
В свою очередь, именно эта причина побудила автора к обобщению
материалов, касающихся научным основам производства продуктов
питания и опубликования в виде единой книги.
Для решения профессиональных задач выпускник по направлению подготовки «Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания» должен обладать
навыками
производственно-технической,
организационноуправленческой, научно-исследовательской и проектной деятельности. Ознакомление с основами производства продуктов питания при
помощи настоящего издания позволит более эффективно решать
проблемы, с которыми сталкиваются перерабатывающие отрасли
АПК в настоящее время.
Хочется отметить, что книга «Современные социальные, экономические и технологические аспекты производства продуктов питания» рассматривает, главным образом, те вопросы, которые обозначены в авторской рабочей программе «Научные основы произ3
водства продуктов питания», разработанной в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности для студентов
специальности 271400 - Технология продуктов детского и функционального питания. В ее основе лежит обширный информационный
материал, накопленный отраслевыми НИИ, кафедрами вузов пищевого профиля, иностранными специалистами, а также непосредственно автором.
Естественно, что последовательность изложения материала
можно корректировать с учетом значимости обсуждаемых вопросов, а некоторые параграфы перегруппировать в те или иные разделы. Например, создание пробиотических продуктов можно было
рассмотреть в главе, посвященной биотехнологии, технологию лактулозы увязать с вопросами обогащения продуктов питания и т.д.
Тем не менее, это лишь частные недостатки данного издания.
Некоторые разделы излагаются в общем виде, с учетом того, что
существуют, как ранее отмечалось, специальные дисциплины и
книги, например, учебники и монографии П.А. Ребиндера - по коллоидной химии, Б.Л. Флауменбаума по технологии консервирования, И.А. Рогова - по физическим методам обработки пищевых продуктов, А.Г. Храмцова - по безотходным технологиям и технологии
лактулозы, А.П. Нечаева - по пищевым добавкам, которые позволят
подробно изучить обсуждаемые на страницах книги проблемы.
Считаю, что пособие будет полезено студентам, аспирантам,
профессорско-преподавательскому составу, а также специалистам
различных отраслей пищевой промышленности.
Доктор технических наук,
профессор
А.Ю. Просеков
4
Глава первая
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Краткая справка о состоянии
пищевой промышленности
Обеспечение населения продовольствием имеет исключительное значение, поскольку напрямую или косвенно оказывает влияние
на демографические, социальные, политические и иные изменения,
происходящие в государстве, а также обеспечивает стабильность и
безопасность государства во взаимозависимом мире. Для нашей
страны развитие агропромышленного комплекса (АПК) также имеет исключительное значение, поскольку в агропромышленном комплексе России занято около 40 % всех работающих в сфере материального производства, сосредоточено более четверти производственных фондов страны.
За годы осуществления реформ отмечено катастрофическое
снижение объемов производства продукции и, как следствие, ухудшение обеспечение населения отечественными продовольственными товарами. Для конца прошлого века характерно ухудшение деятельности всего АПК, в том числе предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности (табл. 1.1-1.2). Ситуация осложнилась еще и тем, что более 10 % проб сельскохозяйственного сырья и
пищевых продуктов, отбираемых органами Госсанэпиднадзора, не
отвечают гигиеническим нормативам по санитарно-химическим и
микробиологическим показателям.
Проводимая кредитная, налоговая, ценовая и инвестиционная
политика, постоянный рост цен на материально-технические ресурсы, транспортные услуги, энергоресурсы, диспаритет цен, а также
малоэффективное вмешательство государства в развитие экономики
АПК поставили на грань банкротства многие сельскохозяйственные
и перерабатывающие предприятия страны, снизили инвестиции на
развитие и техническое перевооружение, ухудшили использование
производственных мощностей на фоне их износа.
5
6
7
8
9
10
11
12
Резкое падение производства в сельскохозяйственных предприятиях связано не только с самоустранением государства от регулирования экономики на начальных этапах становления рыночных
отношений, но и с проводимыми в первой половине 1990-х г. аграрными преобразованиями, в основу которых были положены целенаправленное разукрупнение совхозов и колхозов, поспешное,
формальное, непродуманное их акционирование, приоритет мелкотоварного производства, ориентация на фермерство. Для экономического хозяйства страны отмечено нарушение многоступенчатой
системы управления, что не всегда является оправданным, даже в
условиях рынка.
Современное продовольственное положение России характеризуется снижением потребления основных видов продовольствия,
когда основная часть населения из-за низкой покупательской способности не может обеспечить себя продуктами питания. Результаты приватизации еще раз подтвердили, что переход от экономики
централизованного планирования к рыночному хозяйству не может
происходить стихийно, без государственного управления рынком.
Необходимо было создать адекватную новым условиям систему
государственного регулирования производства при сохранении общего направления реформ. Прежде всего, должны были быть защищены общенациональные и государственные интересы, а не потребности международного финансового капитала и связанного с
ним незначительного слоя национального предпринимательства.
В результате внедрения рыночных отношений и проведения
массовой приватизации основная часть капитала перестала быть
государственной. Как отмечает академик В.Н. Сергеев, приватизация практически прошла путем раздачи, по своей сути разорительной, основных фондов, создаваемых десятилетиями народом всей
страны, ограниченной группе лиц. Как показывает практика, эффективность производства достигается не столько обладанием
предприятиями, сколько повседневными делами по его квалифицированной организации и управлению. Это могут осуществить руководители предприятий, имеющие достаточный опыт, детально знающие специфику производства.
В целом, реформы, проводимые в нашей стране начиная с 90-х
г. прошлого века, в полной мере себя не оправдали. Только в 19992003 гг. в стране достигнута некоторая стабильность. В отдельных
отраслях пищевой промышленности наметились определенные по13
ложительные тенденции к стабилизации и росту производства продукции, однако эта положительная динамика отмечается на фоне
низких производственно-экономических показателей развития АПК
конца 90-х г. Темпы экономического роста, его количественные и
качественные характеристики, инвестиции и другие основные производственно-хозяйственные показатели зависят от динамики и
структуры затрат населения на товары.
За период с 1990 по 2003 г число предприятий пищевой промышленности возросло в 4,4 раза, что обусловлено приведением
статуса организаций, главным образом, совхозов и колхозов в соответствие с Законом РСФСР «О предприятиях и предпринимательской деятельности». Подобные новации при реорганизации сельскохозяйственных предприятий в мировой практике ранее не
наблюдались. В конечном итоге такие организационные меры не
лучшим образом повлияли на социально-экономическое положение
агропромышленного комплекса, привели не только к свертыванию
расширенного воспроизводства, но и резкому сокращению достигнутых к 1990 г. показателей. Как следствие, прибыль предприятий
на единицу произведенной продукции снизилась и достигла в 1998
г. отрицательной величины (убыток составил 14312 млн. руб.).
Опуская частные закономерности, характеризующие развитие
АПК России, можно констатировать, что наилучшим годом развития АПК является 1990 г. Для подавляющего большинства производящих и перерабатывающих отраслей АПК в 2003 г. не достигнуты
объемы производства, соответствующие 1990 г. (исключение составляют масложировая, пивобезалкогольная, плодоовощная и некоторые другие отрасли).
В отдельных случаях результатом конкуренции с импортной
продукцией является вытеснение с внутреннего рынка отечественных производителей. Данное положение сопровождается значительной долей импорта. Недостаток ресурсов для производства ряда
продуктов питания, вызванный падением объемов их производства,
восполняется поставками продовольствия по импорту, удельный
вес которых по общему объему превышает 40 %, а по отдельным
видам продуктов - более 60 %. При этом необходимо помнить, что
импорт продовольствия должен быть не рычагом подавления отечественных товаропроизводителей, а инструментом их стимулирования к лучшему качеству вырабатываемой продукции, повышению
14
ее конкурентоспособности, к динамичному, устойчивому росту
внутреннего производства.
В целом либерализация цен привела к появлению на прилавках
пищевых продуктов в достаточном ассортименте и количестве, связанному с поступлением значительных объемов по импорту и сокращением платежеспособного спроса. Медленное восстановление
потребительского спроса усложняет не только жизнь населения, но
и создает проблемы развития экономики.
Ведущие специалисты считают, что протекционистские меры
должны быть важнейшей составляющей в системе рычагов государственного регулирования АПК, применяться дифференцировано
с учетом состояния отечественного производства и рынка, динамики балансов по соответствующим продовольственным товарам.
Необходима более четкая, строго планируемая и последовательно
проводимая в жизнь стратегия развития АПК, и в первую очередь
важнейшей сферы - животноводства.
Структура питания населения России
Рассмотренное в предыдущем разделе состояние отечественного
агропромышленного комплекса является доминирующим фактором,
определяющим структуру и пищевой статус населения России.
Сложившаяся к настоящему времени ситуация с производством
продовольствия особенно опасна в связи с тем, что питание является одним из важнейших факторов, определяющих связь человека с
внешней средой и оказывающих решающее влияние на здоровье,
работоспособность, устойчивость организма к воздействию экологически вредных факторов производства и среды обитания. Особое
значение для поддержания здоровья человека имеет полноценное и
регулярное снабжение организма всеми необходимыми микронутриентами, которые относятся к незаменимым пищевым веществам.
Они необходимы для нормального обмена веществ, роста и развития организма, защищают от болезней и вредных факторов внешней
среды, надежно обеспечивают все жизненные функции. Организм
человека не синтезирует и не запасает микронутриенты на скольконибудь долгий срок, поэтому они должны поступать регулярно в
наборе и количествах, соответствующих физиологической потребности человека.
15
Вместе с тем, в последнее время состояние здоровья населения
характеризуется негативными тенденциями, сопровождающееся
снижением продолжительности жизни, увеличением сердечнососудистых и онкологических заболеваний, которые определенным
образом связаны с питанием. У значительной части населения выявлены нарушения полноценного питания, обусловленные недостаточным потреблением пищевых веществ, в первую очередь, витаминов, макро- и микроэлементов (кальция, йода, железа, фтора, селена), полноценных белков, полиненасыщенных жирных кислот и
нерациональным их соотношением.
Нарушения полноценного, рационального питания вызваны как
кризисным состоянием производства продовольственного сырья и
пищевых продуктов, так и резким снижением покупательной способности большей части населения страны. Остро стоит проблема
качества пищевых продуктов и продовольственного сырья. Весьма
низок уровень образования населения в вопросах здорового, рационального питания.
На основе анализа современного уровня развития АПК Россия
во многом утратила продовольственную безопасность. По методике
ООН в соответствии с «индексом человеческого развития», который
учитывает продолжительность жизни, уровень образования, реальные доходы и масштабы использования новейших технологий, Россия с седьмого места опустилась в середину шестой десятки из почти двухсот стран мира, а доля населения, живущего на пороге бедности, в три с лишним раза превышает критический уровень, установленный ООН. В России не сформулирована экономическая политика продовольственной безопасности.
В нашей стране Институтом питания РАМН, используя современные клинико-биохимические методы оценки, регулярно с 1983
года, проводятся массовые обследования различных групп населения с целью изучения пищевого статуса. Изучается обеспеченность
микронутриентами детей дошкольного возраста, учащихся общеобразовательных школ и профтехучилищ, студентов вузов, беременных женщин и работников различных профессий в различных регионах страны. По многочисленным данным результаты этих обследований свидетельствуют о недостаточном потреблении витаминов
и ряда минеральных веществ (железо, йод, кальций и др.) у значительной части населения России. Особенно неблагополучно обстоит
дело с поступлением аскорбиновой кислоты, недостаток которой,
16
по обобщенным данным, выявляется у 40-100 % обследуемых людей, а глубина достигает 40-50 %.
Таблица 1.3
2003
493
11,3
22
254
230
34
2002
592
33
232
252
22
18
95
237
14
,6
8,2
228
18
91
11
2001
598
31
226
243
25
8,9
241
16
92
11
2000
450
30
222
234
27
9,5
233
16
86
11
1999
376
29
221
226
28
6,0
215
15
89
10
1998
327
32
226
223
30
5,3
214
15
72
9
1997
601
33
232
219
32
4,7
251
17
76
9
1996
429
36
242
216
31
5,9
262
16
73
11
1995
428
39
265
228
29
5,4
269
15
76
13
1994
548
46
284
253
24
6,1
228
14
65
11
1993
666
51
313
271
29
7,6
254
18
66
17
1992
719
56
318
289
36
6,7
258
72
19
231
15
1991
599
63
350
315
47
7,8
53
7,8
70
14
68
320
376
78
390
291
23,7
19
208
15
Плоды и
фрукты
77
Овощи
18
Картофель
13,0
Масло
растительное
Сахар
38
Рыба
(улов)
117
Яйцо, шт.
139
Молоко
80
Мясо
(убойная
масса)
787
Зерно
Год
1990
Рекомендуемая норма
Производство продуктов питания в России, кг в год на 1 чел.
Продукция
Обобщая результаты клинико-биохимических обследований несколько тысяч человек из различных регионов страны, ситуацию с
обеспечением детского и взрослого населения витаминами можно
охарактеризовать следующим образом. Выявляемый дефицит затрагивает не один витамин, а характер сочетанной недостаточности
витаминов С, группы В и -каротина, т.е. речь идет о полигипови17
таминозе. Дефицит витаминов обнаруживается не только весной,
но и в летне-осенний благоприятный период года, следовательно,
является постоянно действующим неблагоприятным фактором. У
значительной части детей, беременных и кормящих женщин поливитаминный дефицит сочетается с недостатком железа, вызывая
распространение
скрытых
и
явных
форм
витаминожелезодефицитной анемии. Дефицит микронутриентов охватывает
практически все группы населения во всех регионах страны.
Таким образом, результаты исследований структуры потребления пищевых продуктов различными группами населения показали
отклонения от современных принципов здорового питания. Отклонения приводят к развитию недостаточности основных микронутриентов, дефициту полиненасыщенных жирных кислот, избыточному потреблению жиров, в т.ч. животного происхождения. Установленные закономерности отмечены на фоне дифференциации показателей пищевого статуса различных групп населения.
На структуру питания негативное влияние оказывают следующие факторы: низкая пищевая ценность продуктов; разбалансированный рацион; низкий уровень доступности нутриентов; неблагоприятная экологическая ситуация; специфика региона (развитие
отраслей хозяйства, климатогеографические условия); низкая покупательская способность, бедность; низкий уровень культуры питания, недостаточные знания в области рационального питания.
В настоящее время дефицит микронутриентов является важнейшей проблемой в области питания как развивающихся, так и
развитых стран. Для его ликвидации на государственном уровне
необходимо внедрение широкомасштабных мер. Один из эффективных путей решения проблемы улучшения пищевого статуса заключается в целевой помощи и создании доступных продуктов питания специального назначения, обладающих профилактическими
свойствами, а также в привлечении внимания к АПК для решения
продовольственной проблемы.
Перспективы развития перерабатывающих
отраслей АПК
Важнейшими народнохозяйственными задачами, от решения
которых во многом зависят планы социально-экономического раз18
вития, являются улучшение структуры питания населения и повышение качества пищевых продуктов. В основу достижения этих целей должно быть положено решение комплекса взаимоувязанных
задач экономического, социального, технологического, научного и
организационного характера.
Несмотря на кризисную ситуацию, предпосылки развития которой сложились в доперестроечное время, Россия занимала лидирующие позиции в производстве пищевых продуктов в мире, в т.ч.
была лидером по потреблению многих продуктов на душу населения. При решении проблем, связанных с питанием человека, необходимо учитывать, с одной стороны, принципы рационального питания, с другой - реально существующий спрос населения и потребности народного хозяйства в продукции перерабатывающих отраслей АПК. Не случайно важное место в реализации государственной
политики в области здорового питания населения РФ отводится перерабатывающим отраслям АПК. Это связано с тем, что выпускаемые ими продукты являются продукцией повседневного потребления всех возрастных групп населения, поэтому увеличение объемов
производства, улучшение качества, повышение пищевой и биологической ценности, а также расширение и совершенствование ассортимента являются актуальными задачами, стоящими перед АПК.
Для периода рыночных реформ на фоне общего кризиса в
стране, отмечено обвальное падение производства, снижение качества сырья, усилившийся износ основных фондов, снижение комплексности переработки, что, в общем, характерно не только для
РФ, но и для других стран СНГ. Следствием этого является нарастающая экспансия импортной продукции, хаотичное создание многочисленных малых предприятий в условиях простоя или неполной
загрузки действующих заводов, отход государства от проблем регулирования рынка.
В отличие от стран Европы, в которых нет больших проблем не
только с продуктами питания, но и с их качеством и ассортиментом,
перерабатывающие отрасли АПК России до сих пор характеризуются чрезвычайно неэффективной структурой переработки сырья и
выработки готовой продукции. По мнению ведущих специалистов
независимо от подходов к решению существующих проблем продукты питания нового поколения необходимо вырабатывать из высококачественного сырья. Однако в ближайшее время для России
это в полной мере не представляется возможным, и, как следствие,
19
в этой ситуации будет невозможна реализация ряда передовых технологий, уже распространяющихся в развитых странах.
В то же время некоторые тенденции, связанные с возможностью
полного использования как существующих мощностей эксплуатируемого в пищевой промышленности оборудования, так и сырья
требуемого качества, привели к появлению на рынке продуктов с
повышенным сроком хранения. Эти тенденции в последние годы
наблюдаются не только в зарубежных странах, но и получили определенное развитие в разработках ведущих отраслевых научноисследовательских институтов РФ.
К основным направлениям развития перерабатывающих отраслей АПК можно отнести следующие: производство натуральной
экологически чистой продукции с сокращением энергозатрат; сохранение в готовой продукции максимально полного набора компонентов исходного сырья; отсутствие консервантов, заменителей основного сырья и искусственных добавок; выпуск дорогостоящей
элитной продукции; расширение ассортимента продуктов с естественными и искусственными наполнителями; изменение вкуса готовой продукции за счет плодово-ягодных, вкусовых и ароматических добавок; улучшение технологических свойств сырья путем
внесения добавок-улучшителей; разработка продукции с нетрадиционными вкусовыми и ароматическими свойствами; выпуск продукции, сбалансированной по составу и содержанию отдельных
компонентов, моделирование состава продукта, исходя из физиологических особенностей организма; исключение из технологии получения продуктов операций, связанных с рафинацией; замена свекольного и тростникового сахара искусственными подсластителями, массовое производство низколактозной продукции; внесение в
продукцию, ориентированную на массовый спрос, биологически и
физиологически активных веществ с целью придания функциональных свойств, создание продуктов-пробиотиков, пребиотиков,
эубиотиков и симбиотиков, обладающих комплексом функциональных свойств; использование химической энергии ферментов (биокатализаторов) в качестве активных факторов управления технологическими процессами; изменение калорийности готовой продукции за счет фракционирования жира, замена животного жира растительными компонентами, выпуск широкого ассортимента обезжиренной и низкожирной продукции на базе традиционных наименований; максимальное использование вторичного сырья; выпуск
20
комбинированных и модифицированных продуктов, включающих
составные нетрадиционные компоненты, создание аналогов различных видов пищи, улучшение эстетических свойств товара; широкое
применение новейших разработок в области расфасовки и упаковки
продукции; увеличение продолжительности хранения новинок и
традиционной продукции.
Академик И.А. Рогов отмечает, что определяющим фактором
создания современной технологии производства биопродуктов является дальнейшее развитие фундаментальных и прикладных исследований по изучению природы процессов, формирующих качество продукции, выявлению механизмов молекулярных взаимодействий в биологических системах с применением новейших методов
исследований. Только в этом случае могут быть найдены рациональные подходы к процессам переработки и хранения сырья и
продукции, созданию альтернативных направлений.
К приоритетным процессам в перерабатывающих отраслях АПК
можно отнести: мембранные технологии с применением современных перспективных (реакционных, газоселективных, керамических
и др.) мембран; биотехнология; микроволновая и электронная обработка продуктов; экструзионная технология, в т.ч. для получения
новых форм пищи; совершенствование технологий замораживания
продуктов различной степени готовности, использования газонепроницаемых материалов для упаковки продуктов в среде инертного газа, вакуумных и полимерных упаковочных материалов; совершенствование техники и технологии пищи для домашнего приготовления и общественного питания. Перспективной является разработка технологии продуктов с направленным использованием нативных свойств сырья.
Важным аспектом деятельности является совершенствование
методологического обеспечения, в т.ч. разработка и совершенствование стандартов. К первоочередным задачам можно отнести разработку и модернизацию методов исследований свойств сырья и продуктов питания, внедрение на предприятиях систем качества. Помимо этого, устойчивое развитие отраслей состоит в жестком централизованном планировании всех аспектов обеспечения населения
продуктов питания, в в т.ч. с сокращением потерь сырья, продукции, воды и энергии вплоть до их ликвидации.
21
Принципы реализации государственной политики
в области здорового питания
Одним из перспективных стратегических направлений национальных интересов России признано повышение качества жизни
населения на основе инновационного пути развития, под которым
понимают совместные усилия государственных органов управления
всех уровней, организаций научно-технической сферы и предпринимательского сектора экономики в интересах ускоренного использования достижений науки и технологий в целях реализации национальных приоритетов страны. Базисом для достижения намеченного является научно-технический комплекс, представляющий собой
совокупность организаций различных ведомственных и министерских принадлежностей, организационно-правовых форм, осуществляющих научную, научно-техническую деятельность и подготовку
кадров, в т.ч. кадров высшей квалификации.
В основу разработки положений концепции положен анализ
проблем, связанных с питанием и здоровьем различных групп населения в Российской Федерации, данных официальной статистики,
включающих демографические показатели, медицинские показатели о смертности и распространенности заболеваний, показатели
грудного вскармливания и физического развития детей, отчеты о
производстве сельскохозяйственной продукции, продуктов питания,
об их торговле и потреблении.
Исходя из значимости здоровья нации для развития и безопасности страны и важности рационального питания для будущего
России, а также из необходимости принятия срочных мер по повышению уровня самообеспеченности страны продуктами питания
определены цели, задачи и этапы реализации государственной политики в области здорового питания.
Целями государственной политики в области здорового питания являются сохранение и укрепление здоровья населения, профилактика заболеваний, связанных с неправильным питанием детей и
взрослых. Основной задачей государственной политики в области
здорового питания является создание экономической, законодательной и материальной базы, обеспечивающей производство в необходимых объемах продовольственного сырья и пищевых продук22
тов; доступность пищевых продуктов для всех слоев населения; высокое качество и безопасность пищевых продуктов; пропаганду
среди населения принципов рационального, здорового питания.
Государственная политика в области здорового питания населения
предусматривает следующие основные направления деятельности.
1. Формирование и совершенствование нормативной базы, регулирующей производство, хранение, транспортирование, сбыт,
реализацию, качество и безопасность продовольственного сырья и
пищевых продуктов, повышение заинтересованности отечественных предприятий в увеличении объемов производства и повышения
качества продовольствия.
2. Развитие интегральных систем ведения земледелия, создание высокопродуктивных и экологически сбалансированных агроэкосистем, обеспечивающих повышение урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных.
3. Проведение исследований в области трансгенных форм растений и животных и создание на их основе новых сортов, гибридов,
пород и линий с высокой устойчивостью к экстремальным условиям среды, стабильно обеспечивающих производство качественного
сырья для нужд человека.
4. Разработка нового поколения диагностических и лечебных
препаратов для борьбы с болезнями сельскохозяйственных животных, в т.ч. вирусного происхождения.
5. Разработка новых технологий и средств для увеличения
производства сбалансированных кормов для животноводства.
6. Выделение экологически чистых зон, обеспечивающих сырьем, в первую очередь, предприятия по производству детских пищевых продуктов.
7. Совершенствование экономического механизма природопользования, направленного на экологическое оздоровление природной среды и сельскохозяйственных угодий.
8. Совершенствование биотехнологических процессов переработки сельскохозяйственного сырья, включая:
- получение новых видов пищевых продуктов общего и специального назначения с использованием ферментных препаратов и
биологически активных веществ;
- создание технологий производства качественно новых пищевых продуктов с направленным изменением химического состава,
соответствующих требованиям рационального питания, продуктов
23
лечебно-профилактического назначения для предупреждения различных заболеваний и укрепления защитных функций организма,
снижения риска воздействия вредных веществ, в т.ч для населения,
проживающего в зонах экологически неблагополучных по различным видам загрязнений;
- создание отечественного производства витаминов, микроэлементов и других пищевых веществ в объемах, достаточных для
полного обеспечения населения, в частности, путем обогащения
ими пищевых продуктов массового потребления;
- организация крупнотоннажного производства пищевого белка
и белковых препаратов, предназначенных для обогащения пищевых
продуктов;
- совершенствование систем хранения продовольствия на всем
пути продвижения сырья и готовой продукции до потребителя.
9. Реализация комплексных программ, направленных на профилактику и ликвидацию алиментарно-зависимых состояний и заболеваний, в т.ч. - производство доступных пищевых продуктов,
обогащенных незаменимыми факторами и биологически активными
добавками.
10. Развитие фундаментальной науки, важнейших прикладных
исследований и разработок.
11. Совершенствование государственного регулирования в области развития науки и технологий.
12. Формирование национальной инновационной политики и
информационной
инфраструктуры,
материально-технической,
опытной и экспериментальной базы.
13. Повышение эффективности использования результатов
научной и научно-технической деятельности.
14. Развитие научно-технического сотрудничества.
15. Повышение уровня образования специалистов в области
науки о питании, а также населения в вопросах здорового питания с
широким привлечением средств массовой информации.
16. Максимальное сохранение пищевой ценности и качества
производимых продуктов за счет применения современных технологий и оборудования, исключающих возможности бактериального,
химического и физического загрязнения.
17. Создание современной инструментальной и аналитической
базы контроля и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов.
24
18. Мониторинг и внедрение современных компьютерных систем сбора, хранения и обмена информации различных аспектов
переработки сельхозсырья и потребления продуктов питания.
19. Обеспечение комплексной программы грудного вскармливания, производство специализированных продуктов и горячего питания в организованных коллективах.
20. Уточнение потребностей различных групп населения в пищевых веществах и энергии, разработка на их основе рекомендаций
по питанию.
Таким образом, эффективно решать обозначенные проблемы
возможно на основе существенного изменения ситуации, которая
сложилась в России к концу ХХ в. на базе подходов, заложенных в
принципах современной науки о питании и роли отдельных пищевых веществ в поддержке здоровья и жизнедеятельности человека.
В рамках агропромышленного комплекса для достижения намеченного должны быть решены следующие задачи:
- создание организационных и экономических механизмов для
повышения востребованности инноваций отечественным производством, обеспечения опережающего развития фундаментальной
науки, важнейших прикладных исследований и разработок;
- совершенствование нормативно-правовой базы научной, научно-технической и инновационной деятельности;
- адаптация научно-технического комплекса к условиям рыночной экономики, обеспечение взаимодействия государственного и
частного капитала в целях развития науки, технологий и техники;
- рациональное сочетание государственного регулирования и
рыночных механизмов, мер прямого и косвенного стимулирования
научной, научно-технической и инновационной деятельности при
реализации приоритетных направлений развития науки, технологий
и техники;
- совершенствование системы подготовки научных и инженерных кадров высшей квалификации в области науки и техники .
В области совершенствования государственного регулирования
проблем науки и технологии предусмотрено:
- формирование механизмов государственной поддержки приоритетных направлений развития науки, технологий, техники и критических технологий федерального, регионального и отраслевого
значения;
25
- реформирование государственного сектора науки и высоких
технологий с учетом имеющихся финансовых, кадровых и иных
ресурсов;
- создание условий для адаптации академического сектора науки
к рыночным условиям с учетом особенностей организации фундаментальных исследований в стране;
- создание современных корпораций (холдингов, федеральных
центров науки и высоких технологий, межотраслевых центров
науки), обеспечивающих решение важнейших проблем развития
высокотехнологичных отраслей экономики и освоение секторов
наукоемкой продукции мирового рынка;
- совершенствование деятельности государственных научных
центров на основе интеграции академического и вузовского секторов науки и производства;
- совершенствование финансирования государственного сектора
науки и высоких технологий преимущественно путем расширения
масштабов перехода на конкурсной основе к адресному финансированию научных исследований и экспериментальных разработок,
осуществляемых государственными научными учреждениями;
- развитие российского фонда фундаментальных исследований,
российского гуманитарного фонда», фонда содействия развитию
малых форм предприятий в научно-технической сфере, а также внебюджетных фондов поддержки научной и научно-технической деятельности;
- повышение эффективности управления собственностью государственного сектора науки и высоких технологий;
- стимулирование научной, научно-технической и инновационной деятельностью в субъектах РФ;
- совершенствование програмно-целевого метода планирования
развития науки, технологий и техники, в первую очередь на среднесрочный период;
- формирование системы пропаганды достижений отечественной науки, технологий и техники, информирование общественности
о государственных мерах стимулирования науки и образования;
- создание благоприятного климата для развития инновационной
деятельности, вовлечение технологических разработок в производственный процесс, привлечение частных инвестиций в высокотехнологичный сектор экономики.
26
Отдельно следует выделить мероприятия, направленные на создание системы учета информации о результатах научных исследований и технологических разработок, полученных организациями
различной организационно-правовой формы, обеспечение доступа к
этой информации. При этом в обязанности государства входит нормативно-правовое закрепление прав на объекты интеллектуальной
собственности и иные результаты научной и научно-технической
деятельности, нормативно-правовое регулирование механизма передачи организациям-разработчикам, инвесторам либо иным хозяйствующим субъектам прав государства на результаты научной и
технической деятельности для введения их в хозяйственный оборот.
Научное обеспечение реализации концепции осуществляют
научно-исследовательские институты системы РАМН, РАСХН,
Минздрава России и других ведомств. Министерства возглавляют
работу по инновационным программам в этой области, под которыми понимают такое состояние в области создания новых технологий, при котором все участники инновационного процесса - ученые, производители, инвесторы и менеджеры - имеют коммерческую мотивацию в достижении успеха при реализации инноваций.
В целях обеспечения реализации проектов государственного
значения формируются приоритетные направления развития науки,
технологий и техники федерального значения, перечень критических технологий федерального значения и целевые программы исследований и экспериментальных разработок.
Президентом РФ В.В. Путиным утверждены «Приоритетные
направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации» (Пр-577 от 30.03.2002 г.), включающие девять направлений по различным отраслям народного хозяйства, в т.ч. «Технологии
живых систем», в рамках которого выполняются исследования и
разработки по проблемам перерабатывающих отраслей АПК.
Утвержден также «Перечень критических технологий Российской
Федерации» (Пр-578 от 30.03.2002 г.).
Исследования и прикладные разработки по проблемам перерабатывающих отраслей АПК выполняются в рамках федеральной
целевой научно-технической программы (ФЦНТП) «Исследования
и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», утвержденной постановлением Правительства РФ от 21 августа 2001 г № 605. Реализация программы намечена в два этапа: 1)
2002-2004 и 2) 2004-2006 гг. Формирование научно-технической
27
программы на ближайшую перспективу проводится на конкурсной
основе с учетом приоритетных направлений развития науки и техники, утвержденных Правительством РФ. Приказом от 10 октября
2001 г. утвержден перечень конкурсных тем по двум блокам: 1)
«Ориентированные фундаментальные исследования» и 2) «Поисково-прикладные исследования и разработки». Этим же приказом
объявлен конкурс по проектам ФЦНТП. В состав ФЦНТП включены семь проблем по перерабатывающим отраслям АПК (подраздел
«Агропромышленный комплекс»).
Следует отметить, что по всем проектам предусмотрены комплексные исследования с привлечением к их реализации исполнителей. В качестве основных критериев при отборе участников были
приняты во внимание финансово-экономическое состояние организации, ее квалификация и профессиональная репутация. Указанные
мероприятия являются общими для всех отраслей пищевой промышленности.
Применительно к перерабатывающим отраслям АПК утверждены две критические технологии федерального уровня, в т.ч. «Безопасность и контроль качества сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов» и «Производство и переработка сельскохозяйственного сырья». Определены минимальные объемы финансирования научных исследований и экспериментальных разработок
гражданского назначения на 2002-2010 гг. Предусмотрено увеличение объемов финансирования с 34 млрд. руб. в 2002 г до 170,1 млрд.
руб. в 2010 г., что должно составлять 4 % от расходной части федерального бюджета. В 2002 г. этот показатель составил 2,04 %.
Основными элементами механизма реализации государственной
политики в области здорового питания населения являются: государственный контроль за качеством сельскохозяйственного сырья и
готовой продукции на стадиях производства, транспортировки, хранения и сбыта в соответствии с законодательством РФ; выбор и
оценка приоритетных направлений развития науки и техники в сфере производства и потребления продовольствия, формирование федеральных и региональных целевых, научно-технических и других
программ, предусматривающих научно-технические и технологические решения по приоритетным проблемам питания, разработку
принципиально новой техники и технологий, способных коренным
образом повлиять на структурные изменения в сфере производства
продовольствия, витаминов и пищевых добавок; опережающее раз28
витие фундаментальных исследований в перспективных направлениях производства и потребления продовольствия; проведение пропаганды принципов здорового питания на основе современных требований медицинской науки; совершенствование государственной
системы стандартизации и сертификации продовольственного сырья, пищевых продуктов, добавок и производств, приведение ее в
соответствие с международными требованиями; создание системы
анализа и оценки информации о достижениях и тенденциях развития отечественной и зарубежной науки и техники в области продуктов здорового питания и производства качественных пищевых продуктов и добавок, подготовки прогнозо-аналитических материалов,
используемых для формирования и эффективного проведения государственной политики; развитие системы подготовки и переподготовки кадров всех уровней в области сельскохозяйственного производства, пищевых технологий и гигиены питания; установление системы постоянного наблюдения за структурой потребления пищевых продуктов; расширение исследований в области изучения потенциально опасных контаминантов пищевых продуктов, в первую
очередь, природного происхождения с определением параметров их
токсичности.
Важным направлением реализации концепции является разработка региональных программ, направленных на решение отдельных наиболее значимых для каждого конкретного региона проблем.
Контрольные вопросы и задания
1. Какое значение имеет обеспечение населения продовольствием?
2. Как Вы оцениваете проводимые в АПК реформы?
3. Как изменилось производство мясных и молочных продуктов за годы
осуществления реформ?
4. Что является призванием Государственной политики в области здорового питания?
5. Какой год был наилучшим для АПК России? Ответ аргументируйте.
6. Охарактеризуйте сложившуюся в АПК ситуацию. К каким последствиям
она привела?
7. Оцените перспективы развития отечественной пищевой промышленности.
8. Каков механизм реализации Концепции государственной политики в
области здорового питания?
9. Охарактеризуйте приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации.
29
Глава вторая
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННЫХ
ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
Предприятия промышленности выпускают разнообразный ассортимент продуктов питания. Они отличаются химическим составом, физическими, структурно-механическими свойствами и органолептическими показателями. Производство продуктов питания
также связано с переработкой сырья, которое по своим характеристикам значительно различается, даже в условиях одной отрасли и
одного вида. Независимо от этого, большинство продуктов питания
является дисперсными структурированными системами с развитой
границей фазовой поверхности. В этой связи определяющими характеристиками пищевых продуктов являются общие характеристики дисперсных систем: однородность, степень дисперсности,
концентрация, которые при одинаковых индивидуальных физических свойствах дисперсной фазы и дисперсионной среды определяют все многообразие существующих видов пищевых продуктов, а
также их свойства.
Классификация и методы расчета
дисперсных систем продуктов питания
Исследование многообразия форм дисперсных систем, по мнению академика П.А. Ребиндера, является научной основой процессов, протекающих в гетерогенных дисперсных системах при получении пищевых продуктов. В связи с этим, знание физикохимических и коллоидных основ производства пищевых продуктов
в настоящее время является резервом в совершенствовании технологии пищевых продуктов с заданным составом и свойствами.
Одной из важнейших проблем современной пищевой технологии следует считать образование в дисперсных системах пространственных структур различного типа, а также управление процессами структурообразования с целью получения дисперсий с требуемыми физико-химическими (деформационными и прочностными)
30
свойствами. Основными задачами пищевой технологии в аспекте
создания дисперсных структур пищевых продуктов являются изучение механизма зарождения и формирования структурированных
систем, определение типов связей, обусловливающих их прочность,
а также установление закономерностей разрушения сформированных структур.
Дисперсными системами (или дисперсиями) называют гетерогенные, преимущественно микрогетерогенные, двух- или многофазные системы, в которых по крайне мере одна из фаз находится в
дисперсном состоянии. Обычно дисперсная система рассматривается как совокупность частиц дисперсной фазы и окружающей их
сплошной дисперсионной среды. Вместе с тем, в связнодисперсных
системах обе фазы могут быть непрерывными, пронизывая друг
друга; такие системы называют биконтинуальными. Таковы пористые твердые тела с открытой поверхностью. К этим системам
близки гели, а также студни, образующиеся в растворах высокомолекулярных соединений (ВМС), в т.ч. ВМС, обладающих клееподобными свойствами («коллоид» - клееподобный, от греч. æóλλα клей).
Дисперсной средой может быть жидкость, твердое тело или газ.
В сочетании с тремя агрегатными состояниями дисперсной фазы
возможны несколько видов дисперсий. По своему состоянию они
являются гетерогенными системами. Согласно классификации,
предложенной В. Оствальдом, дисперсии состоят, по крайней мере,
из двух фаз, одна из которых диспергирована (раздроблена), а другая - является непрерывной (сплошной). Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих признаков: агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды; размер и
распределение частиц дисперсной фазы по размерам; вид дисперсионной среды (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Классификация дисперсных систем
по агрегатному состоянию
Дисперсная
фаза
Твердая
Жидкая
жидкая
Т/Ж: золи, гели,
суспензии, пасты
Ж1/Ж2: эмульсии
Дисперсионная среда
газообразная
твердая
Т/Г: дымы, пыли,
Т1/Т2: сплавы
порошки
Ж/Г: туманы
Ж/Т: клетки тканей
31
Газообразная
Г/Ж: пены
__
Г/Т: пемзы
Системы с жидкой дисперсионной средой - обширный класс
дисперсных систем пищевых продуктов. Сюда относятся разнообразные системы с твердой дисперсной фазой (тип Т/Ж) - высокодисперсные золи (в случае свободнодисперсных систем) и гели (в
случае связанодисперсных систем), а также грубодисперсные малоконцентрированные суспензии и концентрированные пасты. Системы с жидкой дисперсной фазой (Ж1/Ж2) представляют собой эмульсии. Системы с газовой дисперсной фазой (Г/Ж) - газовые эмульсии
(при малой концентрации дисперсной фазы) и пены.
Системы с газообразной дисперсной средой, объединяемые общим названием аэрозолей, включают дымы, пыли и порошки (системы типа Т/Г) и туманы (Ж/Г). Аэрозоли, в которых присутствуют жидкие и твердые частицы дисперсной фазы, называют смогами.
Образование дисперсных систем типа Г1/Г2 с явными границами
фаз невозможно, однако в газовых смесях возникают неоднородности, обусловленные флуктуациями плотности и концентрации, что
до некоторой степени роднит эти системы с дисперсными.
Системы с твердой дисперсионной средой представлены горными породами, различными материалами, большинство из которых
могут рассматриваться как системы типа Т1/Т2. Дисперсиями типа
Г/Т являются разнообразные природные и искусственные пористые
материалы (с закрытой пористостью), например: пенопласты, туфы.
К системам типа Т/Ж можно отнести клетки и образованные ими
живые организмы.
Дисперсные системы могут быть как свободнодисперсными, так
и связнодисперсными, а также разбавленными и концентрированными. В свободнодисперсных системах частицы обособлены и
участвуют в тепловом (броуновском) движении и диффузии. В разбавленных связнодисперсных системах частицы образуют сплошную пространственную сетку (дисперсную структуру), возникают
гели.
В табл. 2.2 в качестве примера приведены размеры частиц дисперсной фазы пищевых продуктов. Большинство дисперсных систем пищевых продуктов относится к грубодисперсным системам с
размером частиц от 5 до 100 мкм, хотя присутствуют вещества в
коллоидном состоянии (мицеллы казеина, коптильный дым).
32
В качестве примера более подробно рассмотрим дисперсную
систему молока. Как следует из табл. 2.3, молоко представляет собой полидисперсную систему.
Таблица 2.2
Размеры дисперсной фазы пищевых продуктов
Продукт
Мышечные пучки и волокна мясного фарша
Жировые клетки мясного
фарша
Кристаллы льда при медленном
замораживании
мяса
Кристаллы льда при быстром замораживании мяса
Измельченная кость для
выработки желатина
Измельченная кость для
выработки кормовой муки
Замороженный
животный жир
Желток в желтых слоях
Коптильный дым
Размер
частиц,
мкм
30-80
120160
5-10
1001000
5,0104
2,5104
2
25-150
0,080,14
Желток в светлых слоях
4-75
Порошок альбумина
светлого
Порошок альбумина
черного
Порошок форменных
элементов крови
Быстрорастворимый
112
120
60
Продукт
Жировые шарики
цельного молока
Жировые шарики
гомгенизированного молока
Кристаллы молочного сахара в сгущенном молоке
Жировые
шарики
молока для мороженого
Мицеллы казеина в
молоке
Кристаллы льда
в мороженом
Пузырьки воздуха в
мороженом
Капли влаги в масле
Кристаллы жира в
масле
Жировые микрозерна сыра
Кристаллические
отложения
солей
кальция в сыре
Микропустоты
в
сыре
Белковые частицы
кислотно-сычужного сгустка молока
Сухое молоко рас-
Размер
частиц,
мкм
2,5
1,0
9-30
0,01-1,0
4,01043,0105
60-80
60
1-5
до 20
11
19
53-745
8-54
15-20
33
яичный порошок
Заменитель цельного
молока
Сухое быстрорастворимое
молоко
15-150
30-40
2501000
пылительной сушки
Сухое молоко
пленочной сушки
Кристаллы молочного сахара
20-80
100-150
Дисперсные фазы молока находятся в ионно-молекулярном
(минеральные соли, лактоза), коллоидном (белки, фосфат кальция)
и грубодисперсном (жировая фаза) состоянии.
Таблица 2.3
Состояние фаз в молоке
Компоненты
Состояние системы
Содержание, %
Объемная доля
Диаметр частицы
Число частиц в 1 мл
Размер поверхности,
см2/мл
Плотность при 200С,
г/мл
Способ выделения
Жировая фаза
Белковая фаза
жировые шарики, гидратиро- сывороточные
липопротеиновые ванные мибелки
оболочки
целлы казеина, соли
Грубая
Тонкая
Коллоидный
дисперсия
дисперсия
раствор
3,8
3,2
0,8
0,042
0,065
0,006
0,1-1 мкм
10-300 нм
3-6
1010
1014
1017
700
0,92
Сепарирование
40000
50000
1,11
1,34
Ультрацен- Гельфильтратрифугировация
ние
Дисперсные структуры условно можно также подразделить на
два основных типа, различающихся по видам взаимодействия частиц дисперсной фазы. Первая группа, включающая коагуляционные структуры, характеризуется тем, что пространственный каркас
обладает небольшой прочностью, так как взаимодействие частиц
происходит за счет молекулярных сил через прослойки жидкости.
Отличительной особенностью коагуляционных структур является
тиксотропия - явление полного восстановления структуры после
предельно возможного ее разрушения под воздействием механической нагрузки (сдвигающей деформации).
34
Образование конденсационно-кристализационных структур
происходит за счет непосредственного взаимодействия частиц и их
срастания с образованием жесткой объемной структуры. Подобные
структуры типичны для связанодисперсных систем. Для них характерны фиксированная структура и геометрические размеры, прочность, хрупкость и неспособность к обратимому восстановлению
после механического разрушения. Если частицы аморфные, то
структуры, образующиеся в дисперсных системах, принято называть конденсационными; если частицы частично кристаллические,
то структуры являются кристаллизационными.
Под структурой тел обычно понимают пространственное взаимное расположение составных частей тела. Структуру, т.е. внутреннее строение продукта и характер взаимодействия между отдельными элементами, определяют химический состав, дисперсность, биохимические и технологические факторы.
По природе устойчивости и интенсивности межмолекулярных
взаимодействий на границе раздела фаз дисперсные системы подразделяются на лиофильные и лиофобные. Для лиофильных дисперсных систем характерна высокая степень родственности дисперсной фазы и дисперсионной среды и малая интенсивность поверхностных сил на границе раздела фаз, чему отвечают очень низкие значения поверхностной энергии на межфазных поверхностях.
Эти коллоидные системы могут образовываться самопроизвольно
из соответствующих макроскопических фаз; для них характерно
термодинамически равновесное распределение частиц дисперсной
фазы по размерам (а иногда и по форме), которое зависит только от
состава и условий существования системы. В лиофобных дисперсных системах (коллоидно- и грубодисперсных) дисперсная фаза и
дисперсионная среда менее родственны, и различие граничащих
фаз по химическому составу и строению проявляется в слабом
межфазном взаимодействии, большой интенсивности поверхностных сил и значительном избытке энергии на межфазной поверхности. Такие системы термодинамически неустойчивы и требуют специальной стабилизации.
Наличие развитой поверхности и связанной с ней большой поверхностной энергии обусловливает необходимость затраты значительной работы на образование лиофобных дисперсных систем как
путем измельчения (диспергирования) макроскопических фаз, так и
при выделении (конденсации) новых дисперсных фаз из гомоген35
ных систем. Избыточная поверхностная энергия обусловливает повышение химической активности вещества дисперсной фазы в высокодисперсном состоянии тем больше, чем меньше размер частиц
дисперсной фазы. Это проявляется в увеличении растворимости
вещества дисперсной фазы в окружающей среде и повышении давления пара над малыми частицами. Повышенная химическая активность и развитая поверхность раздела фаз определяют высокую
скорость процессов взаимодействия между дисперсной фазой и
дисперсионной средой - переноса массы и энергии между ними в
гетерогенных химических процессах.
Наличие избытка поверхностной энергии, особенно в высокодисперсных системах, обусловливает главную особенность лиофобных дисперсных систем - их термодинамическую нестабильность и возможность протекания в них процессов, ведущих к понижению поверхностной энергии за счет уменьшения площади поверхности раздела фаз или насыщения поверхностных сил. Это ведет к изменению строения дисперсных систем и их разрушению.
Современная пищевая технология рассматривает широкий диапазон дисперсных систем: от грубодисперсных с частицами от 1 мкм
и выше и удельной поверхностью S1<1 м2/г до высокодисперсных, в
т.ч. ультрамикрогетерогенных коллоидных наносистем с частицами до 1 нм и удельными поверхностями, достигающими 1000 м2/г.
Грубодисперсные системы содержат частицы, оседающие в гравитационном поле и не проходящие через бумажные фильтры, видимые в обычный световой микроскоп. Частицы высокодисперсных
систем невидимы в световой микроскоп, практически не оседают и
не проходят через бумажные фильтры. Частицы высокодисперсных
систем могут быть обнаружены с помощью электронного или ультрамикроскопа; они задерживаются ультрафильтрами и могут быть
отделены с помощью центробежного поля.
Высокодисперсные системы можно разделить на ультрамикрогетерогенные с размером частиц от 10-7 до 10-5 см и микрогетерогенные с размерами частиц от 10-5 до 10-3 см. Частицы с меньшими
размерами, чем 10-7 см, образуют молекулярные или ионные растворы. К грубодисперсным системам относят вещества с размером
частиц, превышающим 10-3 см. Для связанодисперсных систем
классификация по дисперсности основывается на размерах пор веществ. Пористые тела с размером пор до 210-5 см следует отнести
36
к микропористым системам, от 210-7 до 210-5 см - к переходнопористым, превышающим 210-5 см - к макропористым.
Высокодисперсное состояние вещества служит условием высокой организации материи. Тонкодисперсная структура обусловливает необходимые структурно-механические характеристики. Лишь
на высокоразвитых межфазных поверхностях, т.е. в высокодисперсных системах, интенсивно протекают гетерогенные химические
реакции. Только высокодисперсная структура, т.е. множество мельчайших субъединиц материи, позволяет хранить и использовать
огромные объемы информации в малых физических объемах.
Основные закономерности адсорбционных явлений на границах
раздела фаз при введении в систему третьего компонента (ПАВ)
подчиняется правилу уравнивания П.А. Ребиндера, в соответствии с
которым поверхностно-активным является компонент, способный
скомпенсировать скачек полярностей, существующий на границе
раздела двух разнородных фаз, состоящих из взаимно ограниченно
растворимых (или практически нерастворимых) веществ.
Рис. 2.1. Ориентация ПАВ на межфазной границе вода
Подобное уравнивание, или «сглаживание» разности полярностей в межфазной поверхности разрыва возможно в том случае, когда полярность третьего компонента оказывается промежуточной
между полярностями двух других компонентов, образующих контактирующие фазы. Наиболее полное сглаживание полярностей
происходит при адсорбции дифильных веществ, молекулы которых
имеют резко различающиеся по полярности участки. Таковы органические ПАВ, способные компенсировать разность полярностей
37
между водой и любой (жидкой или твердой) углеводородной фазой.
Молекулы ПАВ при этом ориентируются полярной группой в воду,
а углеводородной цепью - в сторону «масла», создавая переходный
слой, который при достаточно высоких значениях адсорбции в
большой мере или даже практически полностью сглаживает разность полярностей между двумя фазами.
Как ранее отмечалось, особенностью свойств дисперсных систем является то, что значительная доля всех молекул и атомов располагается на поверхности раздела фаз. Эта часть вещества по своему положению находится в несимметричном силовом поле, а также отличается по своему энергетическому состоянию. Действительно, создание межфазной поверхности требует затраты работы по
разрыву связей, значительная часть которой накапливается в виде
избыточной потенциальной энергии на межфазной границе.
Избыток свободной энергии делает дисперсии системами, стремящимися к уменьшению дисперсности. При этом система, оставаясь неизменной по химическому составу, изменяет энергетические
характеристики и, следовательно, коллоидно-химические свойства.
Все эти особенности имеют решающее значение при создании
продуктов с дисперсной структурой. Потенциальные возможности
реализации этого направления в отечественной пищевой промышленности, основанные на знании свойств дисперсных систем, практически неограниченны, однако развиты недостаточно сильно.
Если форма частиц дисперсной фазы близка к изометрической,
то степень раздробленности этой фазы может характеризоваться
линейным размером частиц (средним радиусом r), дисперсностью
либо удельной поверхностью S1. Дисперсность определяют как
отношение суммарной поверхности раздела дисперсной фазы 1 с
дисперсной средой 2 (межфазной поверхности) S12 к суммарному
объему этих частиц V1:
=
S12
,
V1
(2.1)
Удельная поверхность S1 - это отношение суммарной поверхности к общей массе частиц:
S1=
Θ
,
ρ
где - плотность веществ дисперсной фазы.
38
(2.2)
Для монодисперсной системы, состоящей из сферических частиц радиусом r, имеем:
D=
3
.
r
(2.3)
Наиболее полная информация, которая может быть получена
при дисперсионном анализе, включает в себя функции распределения частиц по размерам, а в некоторых случаях и по форме частиц.
Различают дифференциальные и интегральные (кумулятивные)
функции распределения частиц по размерам, которые связаны между собой соответственно операциями дифференцирования и интегрирования, т.е. необходимо рассмотреть два параметра: что распределено, и почему (по какому признаку) рассматривается распределение. Первым параметром может быть число частиц, их суммарный объем, масса, суммарная поверхность. Второй параметр характеризует размер частиц: радиус, объем, массу, реже - поверхность.
Соответственно, если рассматривается дифференциальная функция
распределения, например, числа частиц по радиусам f(r), то она
имеет вид:
f(r)=
.
0 r
(2.4)
Величина f(r) представляет собой число частиц с радиусами
в интервале от r+ Δr , отнесенное к общему числу частиц размеров
2
0 и величине r, т.е. долю общего числа частиц, приходящуюся на
частицы в рассматриваемом интервале радиусов.
В зависимости от метода дисперсионного анализа могут получаться либо непрерывные функции распределения (r0), либо
гистограммы, в которых высота столбов отражает количество вещества в заданном интервале радиусов, а ширина - величины r (не
всегда одинаковые в разных областях размеров частиц).
Интегральная функция распределения q(r) связана с дифференциальной соотношением:
q(r)= f (r)dr .
(2.5)
r
q(r) представляет собой долю общего числа частиц, приходящуюся на частицы с радиусом большим r (именно так принято
определять интегральные функции распределения в коллоидной
39
химии, тогда как при изучении молекулярно-массового распределения растворов макромолекул обычно рассматривают суммирование
по массам молекул).
Использование интегральных функций распределения обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, они имеют более простую
форму, и поэтому для них легче осуществлять сглаживание полученной кривой, и, во-вторых, по ним проще определять долю частиц, приходящихся на определенный интервал размеров r (равна
разности соответствующих значений q(r+r)-q(r)).
Разные методы дисперсионного анализа в качестве первичной
информации дают различные функции распределения в зависимости от того, какие параметры измеряются в эксперименте; в дальнейшем часто производится пересчет к другим параметрам. При
этом необходимо учитывать, что при таком пересчете могут возникать погрешности, величина которых может быть различной в разных интервалах размеров частиц.
В соответствии с различными функциями распределения по
разному определяются и средние размеры частиц (rср). В общем
случае справедливо равенство:
rf(r)dr
rср=
0
r
f ν (r)dr
0
f(r)dr r
0
n
,
n -1
(2.6),
f ν (r)dr
0
где показатель степени n определяется видом использованной
функции распределения.
Для объективной характеристики дисперсности вещества необходимо в первую очередь знать форму поверхности и размер частиц. Если дисперсная среда является жидкой, то частицы в газообразной среде или газообразная фаза в жидкой среде имеют сферическую форму, которую обретают капли в момент образования в результате действия поверхностных сил, стремящихся свести поверхность частицы к наименьшей при данном объеме и обеспечивать
термодинамическую устойчивость капельки. Например, в вакууме
при отсутствии гравитационных сил жидкость приобретает идеальную сферическую форму поверхности. В этом случае все геометрические параметры частицы достаточно точно характеризуются ее
диаметром, который и определяет размеры частицы.
40
В отличие от этого поверхность частицы твердого тела в общем
случае характеризуется участками различной кривизны и имеет неправильную геометрическую форму, и размер частицы зависит от
направления измерения и является переменной величиной. В качестве величины, определяющей размер такой частицы, используют
приведенный или эквивалентный диаметр, под которым понимают
диаметр условной сферической частицы, имеющей одинаковый
объем с частицей сложной формы.
Для определения эквивалентного диаметра частиц произвольной формы в зависимости от метода измерения используют различные расчетные формулы. Если имеются данные по измерению частицы в трех взаимно-перпендикулярных направлениях, за эквивалентный диаметр Dэ принимают среднеарифметическое высоты h,
ширины b и длины l:
Dэ1=
hbl
.
3
(2.7)
В связи со сложностью определения высоты частиц большинством применяемых методов и средств анализа нахождение эквивалентного диаметра упрощают и используют в расчетах только длину l и ширину b.
Dэ2=
bl
2
(2.8)
Более точные значения дают результаты определения эквивалентного диаметра, найденные как среднегеометрическое из произведения длины и ширины для частиц, проекция которых близка к
кругу или квадрату.
Dэ3= lb
(2.9)
Для частицы в форме призмы аналогичный результат можно
получить с помощью оценки по уравнению равновеликой поверхности частиц:
Dэ4=
(2b 2 4lb)
.
6
(2.10)
Эквивалентный диаметр можно определить и по равновеликому
объему частицы:
Dэ5= 3 lb 2 ,
(2.11)
и по площади проекции частицы в поле зрения микроскопа Sп:
41
(2b 2 + 4lb)
Dэ6=
.
6
(2.12)
Диаметр, рассчитанный по этой формуле, называют также проектированным диаметром частицы. Объем частицы наиболее просто
рассчитать для сферической частицы. Для расчета объема частиц,
форма которых произвольна, используют объемный коэффициент
формы аv, который связывает диаметр частицы и ее объем:
V= аv( Dэ6)3.
(2.13)
Установлено, что объемный коэффициент в зависимости от интервала размеров частиц сохраняет постоянное значение. В интервалах размеров от 1 до 60 мкм коэффициента аv изменяется от 0,524
до 0,14-0,20 для частиц шарообразной и неправильной форм. В тех
случаях, когда частицы измеряют с помощью микроскопа в трех
проекциях, рекомендуется пользоваться расчетными значениями
объемного коэффициента, который можно найти из уравнения:
аv =
0,455с
a/
(2.14),
где с - отношение толщины частицы к ее проектированному диаметру;
a/ - отношение длины частицы к ее проектированному диаметру.
При известных значениях с и a/ расчетные значения объемного
коэффициента можно найти, воспользовавшись табл. 2.4.
Таблица 2.4
Расчетные значения коэффициента
для частиц различной формы
Форма
частицы
Шар
Куб
Пластина
Осколок
Чешуйка
Игла
42
Относительные размеры частицы
проектированный диаметр
толщина длина
1,0
1,0
1,0
1,3
1,0
1,7
1,9
1,0
2,0
2,0
1,0
3,0
3,0
0,8
4,0
8,0
0,8
10,0
1,5
1,0
3,0
аv
0,455
0,303
0,231
0,183
0,104
0,040
0,212
Волокно
4,0
2,5
2,5
1,0
1,0
1,0
8,0
5,0
50,0
0,079
0,127
0,013
Распределение частиц может быть представлено различным образом. Наиболее наглядным является графический способ, при котором результаты оформляются в виде гистограмм, полигонов распределения, ложных дифференциальных, интегральных и дифференциальных кривых. По кривой можно также охарактеризовать и
распределение частиц в полидисперсной системе. В качестве примера на рис. 2.2 приведена дисперсность распыленных частиц сгущенного молока.
Рис. 2.2. Характеристики дисперсности распыленных частиц сгущенного
молока: а) гистограмма распределения частиц; б) полигон распределения частиц;
в) ложная дифференциальная кривая распределения частиц; г) интегральная кривая
счетного распределения частиц (по Н.Н. Липатову и В.Д. Харитонову)
Особенностью высокодисперсных систем, как ранее было отмечено, является наличие высокоразвитой границы раздела фаз. Влия43
ние поверхностей раздела фаз и связанных с ними поверхностных
явлений на свойства дисперсных систем обусловлено существованием избыточной поверхностной энергии. Одно из наиболее важных следствий существования поверхностной энергии - капиллярные явления, связанные с воздействием искривленных поверхностей
на контактирующие фазы.
Удельную поверхность, отнесенную к единице объема или массы, для дисперсных систем, содержащих частицы, можно определить из выражений:
S1,2
4ππ2
6
,
3
V
4/3π/
D
S
1,2
6
S//уд=
,
Vρ Dρ
S/уд=
(2.15)
(2.16)
где S/уд - площадь удельной поверхности, отнесенная к единице объема;
//
S уд - площадь удельной поверхности, отнесенная к единице
массы;
S1,2 - площадь межфазной поверхности;
V - суммарный объем дисперсной фазы;
- плотность дисперсной фазы.
Как следует из этих выражений, с увеличением количества частиц, например, при их измельчении, удельная поверхность дисперсной системы увеличивается. Если частицы несферические, то
для нахождения удельной поверхности необходимо ввести в расчет
коэффициент формы, который лежит в диапазоне значений от 1 до
10.
Для оценки несферичности поверхности частиц используют показатель «кривизна поверхности», под которым понимают коэффициент, определяемый как производная.
Н=
1 dS
2 dV
(2.17)
Для сферической поверхности радиуса r
Н=
1
,
r
для нити цилиндрической формы
44
(2.18)
1
,
2r
(2.19)
1 1 1
( ) ,
2 r1 r2
(2.20)
Н=
для частиц неправильной формы
Н=
где r1 и r2 - радиусы окружностей, полученных при прохождении
через поверхность и нормаль к ней в данной точке двух
перпендикулярных плоскостей.
Две фазы могут существовать в однокомпонентной системе в
равновесии только при наличии устойчивой границы раздела между
ними, не проявляющей тенденции к самопроизвольному увеличению (термодинамически устойчивой при постоянных температуре и
объеме системы). С макроскопической точки зрения это означает,
что с поверхностью связана некоторая энергия, так что общая свободная энергия системы не является суммой энергии двух объемных фаз, а включает еще избыточную свободную энергию, пропорциональную площади S поверхности раздела фаз - свободную поверхностную энергию Fs.
Fs=
dF
S σS
dS
(2.21)
где - удельная (приходящаяся на единицу площади поверхности)
свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение), Дж/м2 или Н/м.
Поверхностное натяжение можно трактовать и как силу, действующую вдоль поверхности раздела (тангенциально к ней) и препятствующее ее увеличению. Наличие на поверхности раздела фаз
избытка энергии означает, что для образования новой поверхности
требуется совершить работу, поэтому величина одновременно
представляет собой работу обратимого изотермического образования единицы поверхности.
Используя приведенные формулы можно оценить многие индивидуальные свойства и установить закономерности формирования
гетерогенных (многофазных) пищевых продуктов. Присущая черта
является основной качественной характеристикой всего многообразия дисперсных систем пищевых продуктов.
45
Порошки и гранулы
Особенностью технологии порошковых и гранулированных продуктов является необходимость удаления влаги, которая образуется
с наиболее тонкодисперсной частью системы паровую суспензию и
выступает при формировании продукции в качестве пластификатора и временной технологической связывающей субстанции. Крупнодисперсная часть системы образует капиллярно-пористое тело,
которое для нерастворимых и ненабухающих материалов при сушке
практически не деформируется.
Наиболее распространенным способом удаления влаги из материалов является ее испарение при подводе тепла, т.е. сушка. Движущей силой процесса сушки является разность парциальных давлений водяного пара на поверхности высушиваемого материала и в
окружающей среде. Интенсивность сушки обусловлена различными
факторами, которые в конечном итоге определяют качество конечного продукта, в частности, изменения, которые с ним происходят
(усадка с образованием трещин и т.д.). К наиболее значимым факторам, определяющим закономерности сушки, относятся содержание влаги и ее формы в продукте, температура, состав и свойства
исходных систем.
Основой материального баланса сушильных установок является
условие, что количество сухих веществ при отсутствии потерь одинаково в исходном и готовом продукте:
G1S1=G2S2,
(2.22)
где G1 - масса исходного продукта, кг;
S1 - массовая доля сухих веществ в исходном продукте, %;
G2 - масса готового продукта, кг;
S2 - массовая доля сухих веществ в готовом продукте, %;
Биологические растительные материалы, подвергаемые сушке
наиболее часто, состоят из морфологических и функционально однородных клеток, которые соединяются в ткань с помощью срединных пластинок (состоит из гемицеллюлоз и пектиновых веществ),
тяжей протоплазмы - плазмодесм и непрерывной водной фазы.
46
Всякий влажный материал состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. Твердая фаза имеет твердый скелет в виде кристаллической решетки или каркаса хаотического строения. Жидкая фаза характеризуется подвижностью частиц, несжимаемостью, почти
неизменной плотностью, мало зависящей от давления и температуры. Газообразная фаза отличается сжимаемостью, высоким значением объемного расширения. В сушильных процессах влажный материал рассматривается как смесь абсолютно сухого вещества и
влаги:
М=Мс+W,
(2.23)
где М - масса влажного материала, кг;
Мс - масса абсолютно сухого материала, кг;
W - масса влаги, кг.
Влажность материала w0 определяется отношением массы влаги к общей массе влажного материала:
w0= W 100 =
M
W
100 .
Mc W
(2.24)
Влажность материала w0 изменяется от 0 при W=0 (абсолютно
сухой материал) до 100 % при Мс=0 (чистая вода).
Обозначим массу материала влажностью w10 до сушки через М1,
массу материала влажностью w20 после сушки через М2. Тогда количество испаренной влаги составит:
W= М1-М2,
(2.25)
В процессе сушки масса абсолютно сухого материала не изменяется.
Мс=M
(100 w0 )
const .
100
(2.26)
Обозначим массу абсолютно сухого вещества до сушки
Мс1=М1(100- w10)/100, после сушки Мс2=М2(100-w20)/100. Из равенства Мс1=Мс2 следует, что:
М1(100- w10)/100= М2(100- w20)/100.
(2.27)
Из уравнения (2.27) получим уравнение массы испаренной влаги
в процессе сушки:
47
(w10 w20 )
(w10 w20 )
W= M 1
.
2
100 - w10
100 - w20
(2.28)
Влажность материала w0 характеризует материал в стационарных условиях, но в процессе сушки этой величиной нельзя пользоваться, т.к. масса влажного материала в ходе процесса сушки
непрерывно уменьшается. Неизменной при сушке остается лишь
масса абсолютно сухого вещества Мс.
В технике пользуются понятием влагосодержания материала,
выраженного в процентах или в килограммах на килограмм.
wс=
100W
W
или u=
Mc
Mc
(2.29)
Влагосодержание материала wс изменяется от 0 при W=0 (абсолютно сухой материал) до бесконечности при Мс=0 (чистая вода).
Масса абсолютно сухого материала с учетом его влагосодержания:
Мс=M
(100)
const .
100 wc
(2.30)
Аналогично выведенному ранее уравнению (2.29) количеству
испаренной влаги в процессе сушки:
W= M 1
(w1с w2 с )
(w1с w2 с )
.
M
2
100 - w1с
100 - w2 с
(2.31)
Пересчет влагосодержания wс на влажность w0 и наоборот, производится по уравнениям:
wс=
(100w 0 )
.
100 w 0
(2.32)
w0=
(100wс )
.
100 wс
(2.33)
Растительные материалы как объекты сушки отличаются от химических, строительных, топливных и других материалов неживой
природы клеточным строением и свойствами влаги. Практически
48
все изменения, происходящие с сырьем при сушке, связаны со
свойствами диполей воды. Содержащуюся в продуктах воду можно
разделить на свободную и связанную. Свободная вода характеризуется теми же свойствами, что и чистая вода. Почти вся вода, содержащаяся в пищевых продуктах, находится в связанном состоянии,
но удерживается тканями с различной силой. В основу классификации связанной воды, предложенной П.А. Ребиндером, положена
природа образования различных форм связи и энергии связи, под
которой понимают ту энергию, которую необходимо затратить на
разрушение этой связи при удалении влаги из материала. Формы
связи влаги с материалом в порядке убывающей энергии подразделяются на три группы: химическую, физико-химическую и физикомеханическую.
Химически связанная вода связана в виде гидроксильных ионов
или заключена в кристаллогидраты. Такая связь является самой
прочной и может быть удалена из продукта только путем химического взаимодействия или при прокаливании.
Физико-химически связанная вода делится на адсорбционносвязанную и осмотически поглощенную. Адсорбционно-связанная
вода удерживается силовым полем на внешней и внутренней поверхности мицелл коллоидного тела, которые характеризуются
весьма значительной дисперсностью частиц, условный радиус которых составляет 0,01-0,1 мкм. Вследствие такой дисперсности
коллоидные тела обладают огромной межфазной поверхностью, за
счет которой происходит адсорбционное связывание воды. При адсорбционном связывании первого мономолекулярного слоя воды с
коллоидным телом происходит выделение теплоты адсорбции.
Кроме того, происходит сжатие объема, при котором объем набухшего тела становится меньше суммы объемов материала и поглощенной воды. Физико-механически связанная вода удерживается в
неопределенных соотношениях и обычно свободно выделяется из
продуктов высушиванием или даже прессованием. Физикомеханически связанную воду делят на связанную макрокапиллярами (размер капилляра более 10-5 м) и микрокапиллярами (размер
капилляра менее 10-5 м). Продукты в большинстве имеют макро- и
микрокапиллярное строение. Капиллярную влагу можно рассматривать как свободную, она перемещается в капиллярах продукта в
виде жидкости и пара. Различные виды связи воды в пищевых продуктах обусловливают механизм удаления этой воды при их сушке.
49
Осмотически поглощенная вода связывается макроколлоидами
пищевых продуктов с высокополимерным строением. При образовании геля часть воды захватывается внутрь скелета геля и находится там в полупроницаемом контуре. Другая часть осмотически
поглощенной воды проникает внутрь геля через стенки клеток из
окружающей среды в результате осмоса. Осмотически связанная
влага поглощается без выделения тепла и без сжатия системы.
На сегодняшний день пищевые продукты систематизированы по
показателю активности воды и делятся на три группы: продукты
высокой влажности (массовая доля влаги более 40 %, показатель
активности воды колеблется от 0,9 до 1,0); продукты со средней или
промежуточной влажностью (массовая доля влаги от 10 до 40 %,
показатель активности воды варьируется от 0,6 до 0,9); продукты
низкой влажности, массовая доля воды менее 20 % (показатель активности воды варьируется от 0 до 0,6).
Показатель активности воды является величиной непостоянной и изменяется под действием осмотически активных добавок,
например, гелеобразователей. Большое влияние оказывает температура окружающей среды. Исследования Loneir и Weisser по замораживанию воды и определению ее активности показывают, что
при 0С активность воды равна 1, а при минус 20С активность воды уменьшается до 0,78. При этом уменьшается доступность воды
для биохимических и химических превращений, тем самым продлевается срок хранения пищевых продуктов.
Показатель активности воды дает многостороннюю оценку и
характеристику пищевого продукта. Этот показатель используют
при оценке консистенции продукта, изменении вязкости при сгущении и гелеобразовании, оценке возможности протекания химических реакций в водной фазе продукта, оценке возможного роста
микроорганизмов, полезной и вредной микрофлоры, протекания
биохимических реакций.
Порошки представляют собой одну из распространенных форм
дисперсий. Физико-химические свойства порошков определяются
силой контактного взаимодействия частиц, поэтому для решения
как прикладных, так и фундаментальных теоретических задач в области физико-химической механики целесообразным представляется установление связи между макрореологическими характеристиками слоя порошка и силой взаимодействия частиц.
50
Обязательной технологической операцией изготовления порошков является измельчение высушенного материала. Измельчение
заключается в его деформировании до момента разрушения или
разрыва (дробление бобов какао, помол пшеницы в муку и др.).
Известно, что механические характеристики описывают поведение твердого материала под действием прилагаемой нагрузки. К
механическим характеристикам относят предел упругости, предел
прочности на разрыв, предельное напряжение сдвига и область пластичности. Схематично механические характеристики материалов
показаны на рис. 2.3.
Относительная деформация l/l
Рис. 2.3. Механические характеристики материалов: 1 - твердый, прочный и
хрупкий; 2 - твердый, прочный, пластичный; 3 - твердый, непрочный, хрупкий; 4 мягкий, непрочный, пластичный; 5 - мягкий, непрочный, хрупкий; Е - предел упругости; Y - предел текучести; B - предел прочности; EY - неупругая деформация;
YB - область пластичности (по М. Лонцину и Р. Мерсону)
Прочность материала зависит от наличия трещин или других
дефектов в его структуре. В образцах значительных размеров даже
небольшая нагрузка может вызвать разрыв материала при очень незначительной деформации из-за большого количества дефектов
структуры. С уменьшением размера образца материала количество
дефектов уменьшается, и предел прочности возрастает. Для разрыва
небольших частиц необходимо преодолеть межмолекулярные силы.
Вследствие этого очень трудно осуществлять измельчение частиц,
размеры которых меньше определенной величины.
51
Твердость является свойством материала, которое необходимо
учитывать при расчетах процессов измельчения. Для определения
твердости часто применяют эмпирическую шкалу Моса: тальк - 1,
гипс - 2, кальцит - 3, фторошпат - 4, апатит - 5, полевой шпат - 6,
кварц - 7, топаз - 8, корунд - 9, алмаз - 10. Твердость можно также
измерить по сопротивлению материала продавливанию при локальном сжатии, как, например, в испытаниях на твердость.
Гранулирование дисперсных систем представляет собой процесс
превращения сухой сыпучей или влажной бесформенно агрегированной системы в одинаковые по размеру, плотности и прочности
шарообразные гранулы. Широкое распространение процесса объясняется преимуществом гранулированного продукта по сравнению с
сыпучим материалом. Гранулы транспортабельны, не запыляют атмосферу, хорошо дозируются, не подвергаются слеживанию и выветриванию. Применение гранулированных материалов обеспечивает переход от периодических процессов к непрерывным. Более
того, полислойное гранулирование позволяет воздействовать на
процессы переработки многокомпонентных сырьевых смесей.
Гранулирование методом окатывания в настоящее время производится по трем направлениям, обусловленным различным составом и свойствами гранулируемого материала. Первое направление
(для окатывания тонкодисперсных продуктов фильтрования после
глубокого обогащения) предусматривает поступление сырья в гранулятор с близким содержанием жидкой фазы. Корректировка количества жидкой фазы до оптимума производится путем доувлажнения или присадкой к ней небольших количеств сухих влагоемких
добавок. Достоинство данного направления состоит в большой скорости образования и роста гранул. Однако стабильность процесса
невелика из-за частых колебаний влажности системы.
По второму направлению сырье поступает в гранулятор в сухом
виде. Жидкую фазу в гранулятор подают отдельно. Трехфазная
комкуемая система образуется непосредственно в процессе гранулирования. Достоинство этого способа заключается в четкости и
оперативности регулирования процесса гранулирования. Однако
вследствие ограниченного поступления влаги смачиваемость ограничена. Это не только в целом замедляет интенсивность гранулообразования, но и также является причиной пылеобразования.
Третье направление получило наибольшее распространение и
представляет собой «полумокрое» окатывание, суть которого состо52
ит в том, что исходное сырье имеет влажность около 70-80 %, а
остальные 20-30 % подается непосредственно в гранулятор в процессе гранулирования. При этом скорость процесса не зависит от
смачивания гранул.
В зависимости от способа гранулирования при окатывании дисперсного материала различают стадию образования зародыша, рост
гранул и уплотнение гранул. Стадия уплотнения налагается как на
стадию образования устойчивого зародыша, так и на стадию его
роста, и самостоятельно проявляется лишь на заключительном этапе гранулирования. Более плотные, следовательно, более прочные
агрегаты способствуют ускорению и стабилизации процессов образования зародышей и росту гранул. Кинетика уплотнения дисперсного материала определяет и механизм гранулирования в целом.
Эффективность процесса гранулирования определяется факторами, влияющими на качество готовой продукции. Скорость роста
гранул зависит от объемного влагосодержания, гранулометрического состава исходной системы, конструкционных особенностей аппарата. В зависимости от способа окатывания на скорость и стабильность процесса гранулообразования существенное влияние
оказывают также стадии зародышеобразования и роста гранул.
Рост и уплотнение гранул находятся в прямой зависимости от
скорости капиллярного теплообмена. Поверхность растущей гранулы должна быть переувлажнена, чтобы обеспечить налипание частиц сырьевой смеси. Такая избыточная влага переносится при
уплотнении из ядра, с одной стороны, за счет возникающего капиллярного потенциала, а с другой - за счет чисто механического выдавливания. На этой стадии процесс гранулообразования лимитируется скоростью капиллярного массообмена при уплотнении.
Гранулирование проводят при температурах, близких к температуре сушки, что способствует уменьшению количества жидкости,
необходимой для коагуляции. Протекающие реакции гидратации
сокращают количество жидкости до требуемой величины, которая
препятствует потере прочности гранул при сушке.
В целом технологический процесс получения порошков и гранул целесообразно рассматривать как самостоятельный химикотехнологический процесс, течение которого предопределяется физико-химическими процессами и явлениями. В качестве общих факторов, определяющих технологические закономерности формирования рассматриваемых дисперсий, являются: форма и размер ча53
стиц, их распределение по размерам, расположение частиц в пространстве, объемное содержание частиц в системе, агрегатное состояние, стабильность и изменчивость отдельных параметров системы. Варьирование именно этих характеристик позволяет получить материалы с заданными составом и свойствами, а также оптимизировать технологические процессы по оптимальной траектории
достижения цели.
Гели
Большинство пищевых продуктов являются твердыми телами,
механические и физико-химические свойства которых обусловлены
гелеобразным состоянием. Гели (или студни) представляют собой
многокомпонентные системы, содержащие макромолекулярные
вещества и низкомолекулярную жидкость (воду) и обладающие
свойствами твердых тел. Пищевые гели обычно содержат 50-90 % и
более воды, а в качестве гелеобразователя - белки, полисахариды,
их смеси и комплексы. Свойства гелей обусловлены образованием
пространственной сетки взаимодействующими макромолекулами.
Золи и суспензии, а также их производные - гели и пасты - являются разновидностями одного и того же типа дисперсных систем
- твердое в жидком. Значительная часть продуктов представляет
собой гели и пасты, а на различных стадиях технологического процесса, кроме них, полуфабрикатами являются золи и суспензии. Золи относятся к высокодисперсным системам, суспензии являются
средне- и грубодисперсными системами (одно из отличий от золей).
Золи являются седиментационно-устойчивыми системами. Жидкая
дисперсионная среда золей позволяет молекулярно-кинетическим
явлениям проявиться наиболее интенсивно. Суспензии, наоборот,
характеризуются седиментационной неустойчивостью, т.е. не способны сохранять неизменным во времени распределение частиц
дисперсной фазы в объеме системы (не способны противостоять
силе тяжести).
При увеличении концентрации частиц дисперсной фазы системы из свободнодисперсных превращаются в связнодисперсные, т.е.
переходят в пасты. Для приготовления паст применяют вещества,
имеющие повышенную вязкость и температуру кипения. Наиболее
распространены вещества с макромолекулярной структурой, в которых равномерно распределены гидрофильные группы, с которыми вступает во взаимодействие вода. Независимо от вида взаимо54
действия вода оказывается связанной, молекулы воды теряют свою
подвижность в коллоидной системе, изменяя при этом консистенцию продукта.
Гели - структурированные высокодисперсные системы с жидкой
дисперсионной средой, состоящие из заполненного жидкостью каркаса, который образует структуру из твердых частиц дисперсной
фазы. Гели относят к двухфазным системам с высокоразвитой поверхностью раздела между фазами: непрерывной или мелкодисперсной фазой твердого материала, взвешенного в водной (или с
каким-либо растворителем) фазе, которая также может быть непрерывной или частично дисперсной. Твердое вещество обычно рассматривают как волокнистое построение. Оно может состоять или
из труднорастворимых молекул, например, белковых веществ, или
из нитеобразных кристаллов, таких, как гели кремниевой кислоты
или кристаллической целлюлозы. Степень структурной устойчивости таких систем зависит от строения каркаса непрерывной фазы
таким образом, что система, как целое, обладает многими свойствами твердого тела независимо от агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы в отдельности.
Количество воды или другого растворителя, содержащегося в
геле, зависит от многих факторов. Если гель распределен в избыточном количестве растворителя, он обычно набухает до тех пор,
пока не образуется золь. Ограниченное набухание приводит к образованию студней. Они во многом схожи с гелями: и те и другие являются структурированными системами, содержат связанную и
свободную воду или другую жидкость, обладают признаками твердого тела и жидкости и проявляют специфические свойства, к числу
которых относится синерезис. Студни получаются из растворов высокомолекулярных веществ (ВМС), а гели - из золей, т.е. коллоидных растворов. В зарубежной и отечественной литературе не делают различий между гелем, полученным из золя, и студнем, сформированным из макромолекул ВМС.
На гелеобразование может влиять ряд факторов. Концентрация
дисперсной фазы сильно сказывается на скорости образования геля
и его прочности, т.к. с повышением численной концентрации число
контактов, приходящихся на единицу объема системы, и скорость
установления контактов возрастает. Уменьшение размера частиц
при постоянной концентрации дисперсной фазы также способствует
гелеобразованию. Очень большое значение имеет форма частиц.
55
На скорость образования и свойства полученного геля весьма
сильно влияет температура. Продолжительность образования геля
при повышении температуры уменьшается. Механическое воздействие обычно препятствует образованию геля.
В настоящее время растворение высокомолекулярных веществ
принято рассматривать, как процесс смешения двух жидкостей, который обусловлен как энергетическим взаимодействием между молекулами растворяемого вещества и растворителя, так и действием
энтропийного фактора, характеризующего равномерное распределение молекул растворенного вещества в растворе. При набухании
в воде растворение протекает в две стадии. Макромолекулы в
аморфных высокомолекулярных веществах упакованы сравнительно неплотно и при тепловом движении между гибкими цепями образуют щели, в которые диффундируют молекулы воды. Происходит гидратация макромолекул, сопровождающаяся выделением
теплоты, разрушением связей между отдельными макромолекулами, упорядоченным расположением молекул воды около макромолекул, поэтому на первой стадии растворения энтропия системы
даже понижается. На второй стадии, когда связи между отдельными
макромолекулами сильно ослаблены, они отрываются от основной
массы вещества и диффундируют в среду, образуя однородный истинный раствор. На этой стадии процесс растворения обусловлен
чисто энтропийными причинами.
Чем больше молекулярная масса вещества, тем медленнее происходит процесс набухания и растворения. При прочих равных
условиях набухание не всегда заканчивается растворением. Одна из
причин такого явления может заключаться в том, что высокомолекулярное вещество и растворитель способны смешиваться ограниченно. Другая причина состоит в том, что между молекулами высокомолекулярного вещества могут существовать поперечные химические или межмолекулярные связи. Такое вещество, по существу,
представляет пространственную сетку, которая препятствует отрыву макромолекул друг от друга и переходу их в раствор. Ограниченное набухание с повышением температуры уменьшается, а скорость набухания возрастает, т.к. повышение температуры способствует ускорению установления равновесного состояния системы.
Процессы, проходящие в большей части систем «золь - гель»,
могут быть обратимыми при изменении температуры. Температура
плавления обратимого геля обычно выше температуры его затвер56
девания. Это отстаивание называется гистерезисом. Однако температуры плавления и затвердевания могут быть одинаковыми, если
будет поддерживаться незначительная скорость изменения температуры. Многие гели могут перейти в жидкое состояние при механическом перемешивании, но после некоторого периода покоя они
снова приобретают свое первоначальное полужидкое состояние.
Такое поведение является следствием изменения электрического
потенциала сил притяжения и отталкивания между коллоидными
частицами. Условия равновесия этих сил имеют место лишь при
определенных расстояниях между частицами. Когда частицы перемешиваются, равновесие нарушается и наблюдается разжижение.
Гели, обнаруживающие такие свойства, называются тиксотропными
(способность структуры после разрушения ее связей под влиянием
механических воздействий со временем самопроизвольно их восстанавливать в результате броуновского движения). Такое разрушение и восстановление связей структуры может происходить не
только в случае покоящейся системы, но и при ее течении.
Гелям присуще явление синерезиса (старение). Синерезис процесс постепенного сжатия сетки (матрицы). Причина синерезиса
заключается в том, что при гелеобразовании между элементами
структуры образуется сравнительно малое число контактов, не отвечающее предельно уплотненному состоянию структуры. Затем в
результате перегруппировки частиц, обусловленных их тепловым
движением, число этих контактов увеличивается, что неизбежно
приводит к сжатию геля и выпрессовыванию из него дисперсионной среды. Синерезису лагоприятствуют увеличение концентрации
электролита, повышение температуры, введение в систему десольватирующих агентов. Синерезису способствует также гибкость и
подвижность элементов коагуляционной структуры, поэтому особенно значительный синерезис наблюдается у студней высокомолекулярных веществ, состоящих из гибких макромолекул.
Фибриллярные (волокнообразные) компоненты геля связаны
силами, которые могут быть ковалентными по природе, но обычно
более слабыми, например, водородные связи. Эти связи нарушаются или разрываются силами, приложенными к гелю. В случае разрушения они могут быть восстановлены в другом месте, на соседних молекулах. Связи эти весьма чувствительны к изменениям температуры и с ее повышением заметно теряют свою устойчивость.
57
Гели состоят из поперечно связанных полимерных молекул, которые образуют матрикс, погруженный в дисперсионную среду
(влагу). Для пищевых гелей характерны связи дисульфидные, как
правило, возникающие в белковых гелях в виде сегментов из двух
или более полимерных молекул. Эти связи являются слабыми, способными к разрыву и легкому восстановлению. Основными, наиболее часто встречающимися типами связей, являются водородные,
электростатические, ван-дер-ваальсовые и гидрофобные.
Полимерные цепи ассоциируются за счет образования межмолекулярных двойных спиралей с образованием упорядоченных доменов, но сами каркас геля не образуют. Непосредственное образование геля происходит с последующим агрегированием этих доменов в промежуточном положении путем конкретного связывания
желирующих катионов. По другой версии гелеобразование происходит в результате взаимодействия конкретных катионов, образующих устойчивые связи между полимерными цепями гелеобразователя при охлаждении.
Известно, что образование геля в белковых системах происходит под действием сил Ван-дер-Ваальса и посредством водородных
связей. Белковые гели непрочные, исключение составляют казеиновые гели, образованные в присутствии ионов кальция. Для получения гелей в систему вводят различные вещества: каррагинаны, пектины, карбоксиметилцеллюлозу, модифицированные крахмалы и
другие структурообразователи. Указанные пищевые добавки придают продуктам специфический вкус и используют при производстве гелеобразных продуктов в кондитерской, мясной и других отраслях пищевой промышленности. Сахароза положительно влияет
на прочность геля в результате образования в системе кальциевых и
сульфгидрильных мостиков. В процессе желирования участвуют
гидроксильные группы сахарозы, глицеридов, многоатомных спиртов. Пектиновые гели образуются только в присутствии сахарозы,
которая играет роль дегидратирующего компонента.
Для получения пищевых продуктов с заданной консистенцией
широко применяют желирующие вещества (агар, пектины, модифицированные крахмалы, желатин), изменяющие реологические
свойства продукта. Ассортимент веществ, улучшающих консистенцию достаточно широк - это загустители, гелеобразователи и
студнеобразователи, пищевые поверхностно-активные вещества, а
также стабилизаторы физического состояния и разрыхлители. Хи58
мическая природа этих веществ разнообразна. Для получения требуемой консистенции используют как вещества неорганической
природы, так и вещества растительного и микробного происхождения.
Правомочно предположить, что пищевые полисахариды построены в основном из шестичленных циклических D-сахаров, что связано с тем, что моносахариды в L-форме составляют всего 25 % от
общего числа сахаров.
В научной литературе имеются сведения о разных классификациях структурообразователей. Существует несколько классификационных признаков структурообразователей, трактующих разные
подходы. Наиболее распространенные факторы классификации:
- по источникам выделения различают структурообразователи
животного, растительного и микробиологического происхождения;
- по происхождению - натуральные, биосинтетические, синтетические, полусинтетические, которые, в свою очередь, делятся на
экссудаты, водорослевые сухие экстракты и порошки, получаемые
из семян растений.
В химическом отношении эти пищевые добавки очень схожи.
Это макромолекулы, в которых равномерно распределены гидрофильные группы, с которыми вступает во взаимодействие вода. У
гелеобразователей возможно обменное взаимодействие с неорганическими ионами, в особенности с ионами водорода и кальция, с
меньшими органическими молекулами, например, олигосахаридами
и т.д. В этих случаях вода оказывается связанной, что приводит к
потере ею подвижности в коллоидной системе и изменению консистенции пищевого продукта. Загустители образуют с водой высоковязкие растворы, а студнеобразователи и желирующие агенты - гели. При этом одни и те же вещества в зависимости от их концентрации в пищевом продукте могут выполнять как роль загустителя, так
и гелеобразователя и/или студнеобразователя.
Макромолекулы полисахаридов построены из моносахаридов
химических связей ковалентной природы, которые жестко фиксируют С-первый атом мономерной единицы через кислородный мостик со вторым, третьим, четвертым или шестым атомом углерода
последующей мономерной единицы. Такая связь называется гликозидной (- или -) в зависимости от аномерной конфигурации.
Многообразие возможных вариантов соединения моносахаридов
приводит к образованию периодических (например, в молекуле
59
целлюлозы D-глюкозные остатки соединены -(14) связями, прерываемых (например, -L-рамноза, «вклиниваясь» в последовательность -(14) связанных D-остатков галактуроновой кислоты
и их метильных эфиров, прерывает периодичность полигалактуроновой кислоты, которая является основным компонентом пектинов)
или апериодических структур (иррегулярная последовательность
сахаридов). Из этого следует, что с геометрической точки зрения
структура цепи полисахаридов может быть линейной, линейной с
боковыми заместителями и разветвленной.
При производстве пищевых продуктов используют натуральные и полусинтетические добавки. К натуральным загустителям и
студнеобразователям относят растительные камеди и слизи, выделяемые из семян льна и айвы, рожкового дерева, астрагала, аравийской акации; агар, агароид, пектин, желатин, альгинат натрия. К полусинтетическим относятся производные натуральных веществ, физико-химические свойства которых изменены в требуемом направлении введением функциональных групп: карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, амилопектин, этилцеллюлоза, модифицированные крахмалы.
В процессе взаимодействия полисахаридов с водой участвует
большое количество химических групп. Кроме атомов кислорода,
ОН-, СН-, СН2-групп, взаимодействуют карбонильные, Nацетильные, сульфатные, метильные, метоксильные и другие группы. Однако рассмотрение одного только действия индивидуальных
групп недостаточно. Определяющим фактором гидратационных
свойств является относительная пространственная конфигурация
гидроксильных групп.
В соответствии с природой контактных зон, которые удерживают вместе полимерные цепи в трехмерной пространственной структуре геля, идентифицировано три типа механизмов гелеобразования
для случая обратимого образования полисахаридных гелей.
1. Класс полисахаридов, которые образуют гели при охлаждении горячих растворов с бифилярными (двойными) спиралями. Несколько нерегулярные структуры делают невозможным существование протяженных областей двойных спиралей, и, следовательно,
любая одиночная полимерная цепь взаимодействует с более чем с
одним партнером. Результатом является образование трехмерной
пространственной структуры. В некоторых случаях сами двойные
спирали проявляют заметную тенденцию агрегироваться в так
60
называемые «сверхструктуры». К полисахаридам с таким механизмом гелеобразования относят агары.
2. Класс полисахаридов, которые при гелеобразовании образуют
слоистую структуру. Так, например, альгинаты и низкомолекулярные (низкозамещенные) метоксипектины образуют гели при добавлении в раствор ионов кальция. Предполагается, что контактные
зоны включают связанные двухвалентные катионы кальция.
3. Данный механизм можно классифицировать как механизм
образования мицеллярных структур (гидроксипропилцеллюлоза,
метилцеллюлоза). В этом случае гели образуются при нагревании
холодных растворов, и считается, что механизм их образования
включает гидрофобное взаимодействие тех участков цепей целлюлозы, где заместители расположены наиболее часто, а относительно
незамещенные (и гидрофильные) части цепей остаются при этом в
растворе свободными.
Роль воды в различных полисахаридных гелях окончательно не
изучена. Для первого класса приведенной классификации полисахаридов следует отметить, что поскольку конформации спиралей
почти не связаны с каким-либо водным окружением, что процесс
образования бифилярных связей протекает в неводных растворителях. Однако, насколько известно, эти полисахариды не образуют
гелей в неводных средах. Более того, предполагается, что вещества,
разрушающие структуру воды, препятствуют образованию гелей,
поэтому можно представить, что вода все-таки принимает некоторое участие в образование гелей. Возможно, ее роль состоит в том,
что она определяет конформационные свойства данного полимера.
Однако следует отметить, что природа гелей является, в первую
очередь, результатом взаимодействия типа «полимер-полимер», а
не следствием обширной упорядоченности воды.
Роль воды в гелях, образующихся путем мицеллообразования,
изучена в большей степени. Механизм этого процесса характерен
для водных растворов. Однако пространственная структура геля
обусловлена образованием поперечных связей между полимерными
цепями (сетчатая структура), а свойства растворителя, вероятно,
проявляются лишь в незначительной степени. Следовательно, можно заключить, что роль воды при образовании геля состоит, главным образом, в осуществлении каталитической функции.
Гелеобразователи выполняют следующие функции: осуществляют коллоидную гидрофильную защиту белка, позволяя произво61
дить тепловую обработку; стабилизируют частицы, предохраняя их
от осаждения; улучшают консистенцию готового продукта; связывают свободную воду, повышая вязкость смеси.
Гелеобразователи должны быть химически инертны по отношению к компонентам пищевых продуктов, т.е. не окислять липиды,
не разрушать витамины. При этом они должны образовывать при
определенных рН, концентрации и температуре водные растворы,
обладающие структурной вязкостью, а при необходимости - формовать трехмерную сетку. Их системы, как правило, должны характеризоваться бесцветностью, а также быть лишены вкуса и запаха.
Гелеобразователи должны являться естественными компонентами
традиционных пищевых продуктов, вырабатываться в промышленном масштабе и быть дешевыми.
В качестве гелеобразователей применяют отечественные (желатин, агар, агароид, альгинат натрия, казеины, пектины, модифицированные крахмалы, метилцеллюлозу, фурцелларан) и зарубежные
(«Хамульсион», «Хан», «Crown») стабилизационные системы.
Большинство стабилизаторов (гидроколлоидов) получены из животного (казеин, желатин) и растительного (пектин, метилцеллюлоза, агар) сырья. В настоящее время разработана большая группа
гидроколлоидов путем химической обработки природных веществ
(казеина, крахмала, пектина, целлюлозы).
Стабилизаторы можно разделить на следующие группы: белковые (желатин, казеины, соевые изоляты и концентраты и др.); растительные (гуммиарабик, гуммигати и др.); пектины (свекловичный, яблочный, цитрусовый, зоостерин и др.); целлюлозы (МЦ100, натрийкарбоксиметилцеллюлоза и др.); камеди (микробные,
растительные); экстракты водорослей (агар, альгинаты).
Используемые в технологии гелеобразователи должны быть
безопасны, обладать необходимыми технологическими свойствами,
обеспечивая экономичное расходование основного молочного сырья. Выбор конкретной стабилизационной системы должен учитывать функциональные свойства гидроколлоида, состав среды, режим производства и конкретный вид оборудования.
Агар (Е406) является классическим представителем класса загустителей, стабилизаторов и гелеобразующих веществ. Его получают
из морских водорослей Белого моря и Тихого океана. Название этого полимера имеет малазийское происхождение и означает «желирующий продукт питания из водорослей». Основу агара составляет
62
дисахарид агароза, молекула которой, построена из -D-галактозы и
3,6-ангидро-L-галактозы. В скобках указан шифр по международной классификации пищевых добавок.
Свойства агара различаются в зависимости от его происхождения. Обычно агар состоит из смеси агароз, отличающихся по степени полимеризации; в их состав могут входить разные металлы (калий, натрий, кальций, магний) и присоединяться по месту функциональных групп. В зависимости от соотношения полимеров и вида
металлов значительно изменяются свойства агара. Агар незначительно растворяется в холодной воде и набухает в ней, в горячей воде образует коллоидный раствор, при остывании превращающийся в прочный студень, обладающий стекловидным изломом.
С гигиенической точки зрения агар безвреден и во всех странах
допускается его использование в пищевых целях. Концентрация его
не лимитирована и обусловлена рецептурами и стандартами на пищевые продукты. Агар применяют в кондитерской промышленности при производстве желейного мармелада, пастилы, зефира, при
получении мясных и рыбных студней, желе, пудингов и т.д. При
этом комитет экспертов ФАО/ВОЗ считает допустимой суточную
дозу агара для человека 0-50 мг/кг массы тела, что значительно выше той дозы, которая может поступить в организм с продуктами.
Агароид (черноморский агар) получают из водорослей филлофлоры, растущих в Черном море. Основу агароида также составляет
агароза. В молекулу агароида входят сульфокислые группы - 22-40
% от общего числа функциональных групп и карбоксильные - 3-5
%, тогда как в молекуле агара их соответственно 2-5 и 20-25 % от
доли всех функциональных групп. Эти различия в структуре определяют и разную студнеобразующую способность, которая у агароида в 2-3 раза ниже чем у агара. Агароид, кроме того, имеет более
низкие температуры плавления и застудневания, меньшую химическую устойчивость. В пищевой промышленности агароид находит
аналогичное агару применение.
Фурцелларан (датский агар) - полисахарид, получаемый из морской водоросли фурцеларии. По способности к студнеобразованию
он занимает промежуточное положение между агаром и агароидом
и применяется при производстве мармелада и желейных конфет,
ароматизированных молочных напитков и пудингов. Экспертным
комитетом по пищевым добавкам ФАО/ВОЗ определена допустимая доза фурцелларана - до 75 мг на 1 кг массы тела.
63
Альгиновые кислоты и их соли (Е400, Е401, Е402, Е403, Е404)
характеризуются студнеобразующими свойствами. Их получают из
бурых водорослей. Они представляют собой полисахариды, состоящие из остатков D-маннуроновой и L-гулуроновой кислот. Альгиновые кислоты в воде не растворимы, но связывают ее. При нейтрализации карбоксильных групп альгиновой кислоты образуются альгинаты, которые растворимы в горячей и холодной воде.
Альгинатные гели устойчивы к действию как низких, так и высоких температур, что выгодно отличает их от гелей агар-агара, желатина, каррагинана. Они совместимы с белками и полисахаридами,
несовместимы с водорастворимыми спиртами, кетонами, арабикклейковиной. При добавлении молочной кислоты в гели альгиновой
кислоты увеличивается стойкость по отношению к хелатам.
Реологические свойства альгинатного геля можно изменить в
желаемом направлении путем «сшивания» структуры полисахарида,
например, с помощью ферментов. Альгиновые кислоты и альгинаты
используют в пищевой промышленности при производстве мармелада, фруктового желе, конфет в качестве студнеобразователя, а
также при производстве других структурированных продуктов.
Согласно данным экспертного комитета по пищевым добавкам
ФАО/ВОЗ альгиновая кислота, альгинат натрия, альгинат кальция и
пропиленгликольальгинаты имеют статус пищевой добавки и суточные допустимые дозы для первых трех биополимеров составляют до 50 мг/кг, для пропиленгликольальгината - до 25 мг/кг.
Пектиновые вещества (Е440) - улучшители консистенции: загустители, уплотнители, студнеобразователи, стабилизаторы и
эмульгаторы. Широкий спектр их действия обусловливает значительное применение их в пищевой промышленности.
Пектиновые вещества представляют собой высокомолекулярные
полисахариды, входящие в состав клеточных стенок и межклеточных образований совместно с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином. В понятие «пектиновые вещества» входят гидратопектин
(растворимый пектин), протопектин (нерастворимый в воде пектин), пектиновые кислоты и пектинаты, пектовые кислоты и пектаты. Основным структурным признаком пектиновых веществ являются линейные молекулы полигалактуроновой кислоты, в которой
мономерные звенья связаны -1,4- гликозидной связью. В пищевой
промышленности пектин получают из яблочных и цитрусовых выжимок, свекловичного жома, соцветий-корзинок подсолнечника,
64
створок плодов-коробочек хлопчатника. В зависимости от вида сырья пектин имеет различные органолептические и физикохимические показатели.
Пектин, как и другие студнеобразователи, не растворяется в
среде, где существуют условия для студнеобразования. Основными
свойствами пектиновых веществ, которые определяют область их
применения в пищевой промышленности, служат студнеобразующая и комплексообразующая способности. Студнеобразующая способность пектина зависит от ряда факторов: молекулярной массы,
степени этерификации, количества балластных по отношению к
пектину веществ, температуры и pH среды, содержания функциональных групп. Установлено, что в свекловичном пектине присутствуют феруловые группы, связанные сложноэфирной связью с боковыми цепями нейтральных сахаров. Использование персульфата
аммония или перекиси водорода приводит к повышению истинной
молекулярной массы растворимых пектинов и образованию прочного студня. Такие гели обладают высокой водоудерживающей
способностью и находят применение в пищевой промышленности.
Комплексообразующая способность пектиновых веществ основана на взаимодействии молекулы пектина с ионами тяжелых и радиоактивных металлов (табл. 2.5). Это свойство дает основание рекомендовать пектин для включения в рацион питания лиц, находящихся в среде, загрязненной радионуклидами, или имеющих контакт с тяжелыми металлами.
Таблица 2.5
Связывание элементов (в % от добавленного компонента)
Элемент
Свинец
Медь
Цезий
Лантан
Цирконий
Никель
Пектин яблочного
порошка
50
15
45
45
30
50
Низкометоксилированный
яблочный пектин
80
45
75
75
60
80
Благодаря своей комплексообразующей способности пектин
может быть отнесен к незаменимому веществу для использования в
производстве пищевой продукции профилактического и лечебного
питания. Оптимальная профилактическая доза пектина составляет
65
не более 2-4 г в сутки для контактирующих с тяжелыми металлами,
в условиях радиоактивного загрязнения – не менее 15-16. Отрицательного действия пектина не установлено и его применение в качестве пищевой добавки разрешено без ограничений во всех странах мира. Для амидированного пектина, у которого часть свободных карбоксильных групп превращена в амиды, установлена величина допустимого суточного потребления 25 мг/кг массы тела.
Каррагинаны (Е407) по химической природе близки к агару и
агароиду. Их название происходит от названия ирландского г. Каррик. Каррагинаны называют также «ирландским мхом». Каррагинаны входят в состав красных водорослей, их структура гетерогенна. Различают несколько типов идеальных каррагинанов, обозначаемых греческими буквами «λ», «ξ», «χ», «ί», «μ» и «ν». Вид водоросли влияет на тип получаемого из него каррагинана. Их структурообразующие свойства, также как и растворимость в воде, зависят
от фракционного состава каррагинанов. Например, очень гидрофильный λ-каррагинан, макромолекулы которого могут находиться
друг от друга на значительном расстоянии, препятствующем образованию связей, является только загустителем. Макромолекулы χ- и
ί-каррагинанов, растворяющиеся при повышенных температурах, и
после охлаждения образуют зоны сцепления, характерные для
структурной сетки геля, проявляя свойства студнеобразователей.
Каррагинаны не расщепляются ферментами в желудочно-кишечном
тракте и могут применяться в области производства низкокалорийных продуктов, а также для детоксикации.
Допустимая суточная доза по рекомендации Экспертного комитета по пищевым добавкам ФАО/ВОЗ - до 75 мг на 1 кг массы тела.
Промышленное применение находит не только каррагинан, но и его
натриевая, калиевая и аммонийная соль.
Желатин является также распространенным гелеобразователем.
По своей структуре он представляет собой белок животного происхождения, в его составе присутствует смесь полипептидов с молекулярной 50000-70000, а также их агрегаты. Получают желатин из
хрящей, сухожилий и костей сельскохозяйственных животных.
Желатин является продуктом тепловой, кислотной, щелочной
или ферментативной денатурации коллагенов. Нефракционированный желатин содержит смесь -, -, -цепей (два последних компонента представлены сшитыми химическими связями, сдвоенными
или строенными -цепями и их фрагментами). Разные по молеку66
лярной массе фракции различаются своими коллоиднохимическими,
физико-химическими,
конформационноконфигурационными параметрами и реакционной способностью.
Желатин - естественный компонент пищевых продуктов, поэтому ограничений по его применению нет. Однако следует учитывать,
что продукты, содержащие желатин, могут иметь посторонний, не
свойственный им привкус; кроме того, они в большей степени подвержены микробиологической порче. В промышленности желатин
используют в различных композициях в количестве 1,5-2,2%.
Крахмал и модифицированные крахмалы (Е1402). Среди природных гелеобразователей в пищевой технологии самыми дешевыми и доступными являются крахмалы. Крахмал - полимер глюкозы
с большинством связей по первому и четвертому углеродным атомам. При этом образуется высокомолекулярный линейный полимер
амилоза, который не имеет боковых цепей, и разветвленный полимер амилопектин с боковыми цепями, образованными по десятому
и шестому атомам углерода. Соотношение между амилозой и амилопектином у разных крахмалов колеблется от 1:1,5 до 1:4,5.
Сырьем для получения крахмала служат клубни картофеля, зерно кукурузы, пшеницы, риса и других растений. Содержание его
зависит от вида сырья. От химического состава крахмала зависят
его физико-химические свойства. Крахмальные зерна при обычной
температуре не растворяются в воде, а при повышении температуры
набухают, образуя вязкий коллоидный раствор, который при охлаждении превращается в устойчивый гель. Крахмал, его отдельные
фракции (амилопектин и амилоза) и продукты частичного гидролиза находят применение в пищевой промышленности в качестве загустителей и гелеобразователей.
В последние годы в пищевой промышленности все больше применяют модифицированные крахмалы, свойства которых в результате разнообразных способов обработки (физического, химического, биологического) заметно отличаются от обычного крахмала по
степени гидрофильности, способности к клейстеризации и студнеобразованию.
Следует отметить, что модифицированные крахмалы не идентичны по своему биологическому действию, особенно на растущий
организм. В связи с этим комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым
добавкам рекомендует по мере возможности исключать применение
67
модифицированных крахмалов в качестве пищевой добавки в продуктах детского питания.
Наиболее распространенным в природе полисахаридом является
целлюлоза (природные ресурсы 11011 метрических тонн ежегодно)
В пищевой технологии находят применение только производные
целлюлозы: микрокристаллическая целлюлоза (Е 460), метилцеллюлоза (Е461), карбоксиметилцеллюлоза (Е466), гидроксипропилцеллюлоза (Е463), гидроксипропилметилцеллюлоза (Е464), метилэтилцеллюлоза (Е465). Целлюлоза - основное вещество растительных клеток, которая составляет от 50 до 70 % всей массы. Чистая
целлюлоза не растворяется в воде. Чтобы сделать целлюлозу растворимой, ее подвергают химической модификации путем введения
реакционноспособных групп в гидроксильные группы молекулы
полисахарида (метил-, карбоксиметил- и др.). Среди производных
целлюлозы наибольшее значение имеют метилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза, которые получают, воздействуя алкилирующими реактивами, например галидными алкилами или диалкилсульфатами на алкилцеллюлозу.
Метилцеллюлоза имеет вид волокнистого порошка от белого до
серо-белого цвета. При содержании менее двух метильных остатков
на один остаток глюкозы она растворима в холодной воде, а в теплой - переходит в гель. Растворимость метилцеллюлозы уменьшается с повышением температуры. Она практически не растворяется
в воде при температуре, близкой к температуре кипения.
Студнеобразование в растворах метилцеллюлозы вызвано, главным образом, гидрофобным взаимодействием неполярных группировок макромолекул. Карбоксиметилцеллюлоза имеет вид белого
волокнистого порошка, растворимого в воде. Ее получают из чистой целлюлозы хлопка. Она адсорбирует воду в 50-кратном количестве, образуя коллоидные системы.
Объединенным комитетом ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам
установлены допустимые суточные дозы производных целлюлозы
для человека в количестве от 0 до 30 мг/кг массы тела. В России
производные целлюлозы не применяются, кроме натриевой соли
карбоксиметилцеллюлозы, рекомендуемое содержание которой для
гелеобразных продуктов составляет не более 5 г/кг.
Камеди синтезируются некоторыми видами деревьев, растущих
в тропиках и субтропиках. В пищевой промышленности используют
камеди гуммиарабика (Е414), трагаканта (Е413), карайя (Е416). Ка68
меди получают путем снятия части коры с деревьев, что приводит к
выделению вязкой смолы на поверхности древесины, которая стекает в приготовленные сосуды. После сбора продукт очищается и
поставляется промышленности.
Камедь карайя - по химическому составу представляет ацетилированный полисахарид, содержащий L-рамнозу, D-галактозу и Dостатки галактуроновой кислоты. Она набухает в холодной воде в
течение нескольких часов, образуя неоднородный густой гель. Добавление щелочи вызывает деацетилирование камеди и модификцию ее функциональных свойств. При введении в рацион в больших
количествах камедь карайя у некоторых людей вызывает аллергические состояния. Установлено, что в организме человека не происходит метаболического распада карайи, и толерантный уровень содержания этого вещества (10 г в сутки) воспринимается без побочного воздействия.
Подробную информацию о свойствах и использовании гелеобразователей (как традиционных, так и новых) можно найти в специальной литературе. Поиском новых видов гелеобразователей посвящены исследования ведущих научных учреждений, а также
коммерческих фирм.
Эмульсии
Другой дисперсной системой, используемой в пищевой промышленности, является эмульсия. Она представляет собой две взаимно нерастворимые жидкости. Для придания системе агрегативной устойчивости в систему вводят поверхностно-активные вещества (эмульгаторы). Процесс формирования дисперсной системы
эмульсии представлен несколькими физико-химическими процессами, происходящими на границе раздела фаз. В эмульсии капельки
дисперсной фазы защищены от слияния при столкновениях друг с
другом межфазными пленками, которые играют роль дополнительного барьера, препятствующего их слиянию (коалесценции).
Эмульсии, как и другие дисперсные системы, являются термодинамически неустойчивыми, поскольку на границе раздела фаз
существует некоторое количество свободной энергии, поэтому в
них происходят процессы, приводящие к снижению свободной
энергии системы, следовательно - самопроизвольное укрупнение
69
частиц дисперсной фазы за счет их коалесценции (слияния). Устойчивость жировой фазы эмульсии, например, в молочных продуктах,
следует признать достаточно высокой, поскольку для коалесценции
жировых частиц необходимо применять интенсивное физикомеханическое воздействие, а для флокуляции (слипания) необходимо время, а также низкие положительные температуры.
По концентрации дисперсной фазы эмульсии делят на разбавленные (объем дисперсной фазы не выше 0,1 %), концентрированные (объем дисперсной фазы до 74 %), высококонцентрированные
или пенообразные (объем дисперсной фазы от 74 до 99 %).
Эмульсии получают конденсационным и диспергационным методом (при помощи смешения, гомогенизации и коллоидной мельницы). При получении эмульсии энергия необходима не только для
образования новых поверхностей, но и для преодоления внутреннего трения. Специфической чертой эмульсий (рассматриваемых дисперсий) является возможность образования эмульсий двух типов:
прямой, в которой дисперсионной средой является более полярная
жидкость (обычно вода), и обратной, в которой более полярная
жидкость образует дисперсную фазу. При определенных условиях
наблюдается обращение фаз эмульсий, когда эмульсия данного типа
в результате введения каких-либо реагентов или при изменении
условий превращается в эмульсию противоположного вида. Определить тип эмульсий можно, например, по ее электрической проводимости (электрическая проводимость для водной дисперсионной
среды на много десятичных порядков выше, чем у обратной эмульсии), по способности смешиваться с полярными и неполярными
растворителями или растворять полярные и неполярные красители.
Диспергирование представляет собой процесс дробления частиц
или капель (дисперсной фазы) и одновременно их равномерное распределение в дисперсионной среде. Дисперсионная среда - это всегда жидкость, а дисперсная фаза может быть жидкостью (при этом
после гомогенизации получают эмульсию) или твердым материалом
(после гомогенизации получают суспензию).
Для эмульгирования используют ультразвук большой мощности
(на частотах менее 5 МГц). Для объяснения механизма эмульгирования ультразвуком используют представления о поверхностных
волнах, которые имеют место в случае нестабильности РэлеяТейлора. При электрическом дроблении эмульсий исследователи
70
обнаружили вытягивание и последующее дробление вытянутых нитей жидкости с последующим их распадом.
В настоящее время получение эмульсий в смесителях, коллоидных мельницах и гомогенизаторах распространено повсеместно.
Другими перспективными способами получения эмульсий являются
звуковые, ультразвуковые и электрофизические методы обработки. С помощью ультразвука удается получит эмульсии с размером
частиц 1 мкм. Максимальная дисперсность системы наблюдается в
диапазоне частот 960-1600 кГц для частиц, первоначальные размеры которых не превышают 1000 Å. С увеличением исходного размера частиц оптимум частиц понижается.
При воздействии ультразвука на гетерогенные системы наблюдается одновременное течение двух противоположных процессов диспергирования и коагуляции. Окончательный результат зависит
как от параметров ультразвукового поля, так и физико-химических
характеристик самого продукта. Концентрация эмульсии, образующейся в результате одновременного течения процессов эмульгирования и коагуляции, в общем в виде описывается уравнением:
dC
n C 2 ,
d
(2.34)
где с - концентрация эмульсии, %;
- продолжительность процесса, с;
, - опытные величины, зависящие от свойств вещества;
n - величина, характеризующая вероятность протекания
реакции.
Для получения концентрированных эмульсий необходимо наличие третьего компонента - эмульгатора, образующего адсорбционные оболочки на поверхности диспергированных частиц (рис. 2.4).
71
Рис. 2.4. Ориентация молекул ПАВ на различных межфазных границах: а неполярное твердое тело - водный раствор ПАВ; б - полярное твердое тело - раствор ПАВ в неполярной жидкости (масло)
Эмульгаторы делят на три основных класса в зависимости от
механизма, вызывающего концентрирование их на поверхности
раздела: вещества с интерполярной молекулярной структурой (полярные - соединения с длиной цепью типа жирных кислот и мыл);
макромолекулярные коллоиды (соединения типа белков), молекулы
которых сильно удлинены, однако они не обладают такой сбалансированностью, как мыла. В основном они представляют собой или
простую углеводородную цепь, или последовательно соединенные
структурные звенья, имеющие сравнительно короткие боковые цепи или активные группы; длина и структура основной цепи, а также
природа, размеры и частота распределения боковых цепочек определяют их растворимость и поведение на поверхности раздела;
тонкодисперсные нерастворимые твёрдые тела, способные концентрироваться при известных условиях на поверхности между двумя
несмешивающимися жидкостями; в этом случае капельки эмульсии
защищены оболочками из твёрдых частиц.
Роль эмульгаторов при образовании эмульсий сводится к следующему: они способствуют снижению межфазной энергии и облегчают разделение дисперсной фазы на небольшие частицы, а также предохраняют диспергированные капельки при их сближении от
слияния. При производстве пищевых эмульсий применяют яичные
продукты, молочные белки, фосфатиды, пектин. К эмульгаторам
химического происхождения относят, прежде всего, моно- и диглицериды, которые широко используют за рубежом.
Большой интерес в отношении использования в качестве эмульгаторов представляют белки животного и растительного происхож72
дения. Поверхностная активность белков определяется особенностями их пространственной структуры. Молекулы глобулярных
белков в водном растворе представляют собой компактные частицы
со специфической топографией поверхности и асимметрично локализованными полярными и неполярными группировками атомов.
Наиболее перспективным стабилизатором эмульсий с технологической точки зрения являются высокомолекулярные вещества, в
т.ч. - совмещенные (например, белково-лецитиновые комплексы).
В табл. 2.6 приведены данные о количестве высокомолекулярных эмульгаторов, приходящихся на 100 см2 поверхности эмульсий
в оптимальном защитном слое.
Тип эмульсии, возникающей при механическом эмульгировании, в значительной степени зависит от соотношения объемов жидкостей: жидкость, присутствующая в существенно большем количестве, обычно становится дисперсионной средой. Академик П.А. Ребиндер в своих работах отмечал, что при диспергировании обычно
возникают обе эмульсии - прямая и обратная; из них выживает та,
которая имеет более высокую устойчивость к коалесценции капель
и последующему расслаиванию. Соотношение стабильности прямой и обратной эмульсий, а следовательно, тип эмульсии, образующейся при эмульгировании, определяется в таком случае природой введенного стабилизатора.
Таблица 2.6
Оптимальные концентрации эмульгатора
для стабилизации межфазного слоя
Эмульгатор
Агар
Желатин
Казеин
Натрийметилкарбоксицеллюлоза
Оболочечные белки
жировых шариков
Поливиниловый спирт
Сапонин
Количество эмульгатора на 100 см2
межфазной поверхности, мг
0,400
0,190
0,08
0,200
0,04
0,09
0,03
При производстве пищевых эмульсий огромное значение приобретает их устойчивость к расслаиванию. К числу основных фак73
торов, определяющих стабильность образующихся эмульсий, относятся: свойства ПАВ, механические условия образования эмульсий,
степень дисперсности и однородность размера частиц дисперсной
фазы, электрические свойства и свойства адсорбционных слоёв.
Термодинамический фактор устойчивости более значимый,
чем кинетическое действие адсорбционных слоёв. При сближении
дисперсных частиц, покрытых адсорбционно-сольватными слоями,
между ними уменьшается толщина прослойки дисперсионной среды, причём сближение частиц происходит без затраты работы и без
изменения свободной энергии по достижению определённого расстояния между частицами. По определению Б.В. Дерягина, это расстояние равно длине ближайшего радиуса молекулярного действия
и соответствует 0,1 мкм, т.е. толщине двух адсорбционносольватных оболочек. На этом расстоянии появляются силы отталкивания в результате молекулярного сцепления жидкой среды с поверхностью частиц.
При дальнейшем сближении частиц наблюдается увеличение
избытка свободной энергии вследствие активизации молекул жидкости при переходе их в поверхность раздела фаз. Для преодоления
при этом возникающих сил отталкивания необходимо затратить силу, действующую в направлении, противоположном сближению
частиц. Эта сила была обнаружена, измерена и названа Б.В. Дерягиным «расклинивающим давлением». Величина его зависит от избытка свободной энергии на границе раздела, возрастающего с
уменьшением расстояния между сближающимися частицами.
Дальнейшее уменьшение прослойки вызывает резкое падение
избытка свободной энергии. Расклинивающее давление проходит
через нуль и становится отрицательным, что соответствует преобладанию сил сцепления. Сольватная оболочка перестает быть стабилизирующим фактором, т.к. прослойка среды самопроизвольно
уменьшается и разрывается, что приводит к коалесценции. Положительное расклинивающее давление приводит к увеличению толщины прослойки дисперсной среды и придаёт ей термодинамическую
устойчивость.
Изучая адсорбционные оболочки, Б.В. Дерягин установил, что
двойной электрический слой ионов вокруг дисперсной фазы всегда
образует гидратную оболочку, которая проявляет положительное
расклинивающее действие. Толщина гидратной оболочки зависит
от величины электрокинетического потенциала и обусловливает
74
термодинамическую стабилизацию, которая эффективна лишь для
весьма разбавленных эмульсий, т.к. с повышением концентрации
дисперсной фазы возрастает число возможных соударений диспергированных частиц, и стабилизация системы становится всё более
затруднительной.
Третий фактор - сруктурно-механический, который препятствует сближению капель. Таким образом, концентрированные эмульсии можно стабилизировать лишь путём образования на их каплях
гелеобразно-структурированных адсорбционных слоёв лиофильных
коллоидов и полуколлоидов, структурно-механические свойства,
которых оказывают сопротивление разрушающим факторам.
Пены
Пены или пенообразные дисперсные системы (ПДС) представляют собой дисперсии, состоящие из пузырьков газа, разделенных
прослойками жидкости, которые образуются при смешивании жидкости с газом во время ее переработки, транспортировки или при
внедрении в нее газа. Дисперсия газа в жидкости, в которой концентрация газа мала, а толщина жидких прослоек сопоставима с размером газовых пузырьков, называется «газовой эмульсией», или шаровой пеной.
Жидкости способны образовывать пены, состоящие как из пузырьков шарообразной формы (дисперсия воздушных пузырьков),
так и из пузырьков, имеющих форму многоугольника и разделенных прослойками жидкости (ячеисто-пленочная пена). После прекращения насыщения жидкости газом во время нахождения системы в покое на поверхности жидкости постепенно формируется слой
ячеисто-пленочной пены. Она образуется в результате отстаивания
воздушных пузырьков и их соединения друг с другом, т.е. коалесценции. Если скорость этого процесса очень велика, то уже при перемешивании возникающая воздушная дисперсия коалесцирует и
образующаяся пена приобретает пленочно-ячеистую структуру. На
рис. 2.5 показана схема устройства для получения пены.
75
Рис. 2.5. Схема сетчатого пеногенератора
При плотном контакте двух газовых пузырьков в жидкой среде с образованием двусторонней пленки ее форма зависит от размера
пузырьков и их избыточного давления. Если
размеры пузырьков и давления в них неодинаковы (R1R2 ,P1P2), то разделяющая их пенная
пленка изгибается, обращаясь выпуклой поверхностью в сторону пузырька большего радиуса (с меньшим давлением). Радиус кривизны (R3, м) определяется по уравнению:
Р1-Р2=
4σ
R3
2σ
R1
2σ 4σ
,
=
R2 R3
(2.35)
где - поверхностное натяжение на границе раздела фаз, Н/м.
Современная классификация свободных пленок выделяет два
основных типа: толстые пленки, внутри которых имеется слой жидкости, обладающей свойствами объемной жидкой фазы, и тонкие,
образованные только поверхностными слоями. Дисперсионная среда в тонких пленках представляет собой совокупность молекул
ПАВ, продуктов их диссоциации и связанных с ними сольватных
оболочек, в которые входит вся содержащаяся в системе жидкость.
Адсорбционные слои ПАВ обеспечивают длительное существование возникающих пленок. Увеличение числа пузырьков в растворе приводит к их сближению. Процессу дальнейшего сближения и
деформации поверхностей пузырьков способствует капиллярная
сила притяжения пузырьков, вследствие чего между соседними пузырьками возникают тонкие жидкие пленки. В результате на поверхности раствора образуется сначала монослой газовых пузырьков, затем формируются последующие слои, что приводит к возникновению объемной пены.
Т.к. натяжения пленок в монодисперсной пене одинаковы, то
силы натяжения их в одной плоскости уравновешиваются только
при одинаковых углах между пленками, равных 120о (первое правило Плато). В каждой вершине многогранника (ячейки) сходятся четыре канала, образуя угол, равный 109о28` (второе правило Плато).
Место пересечения каналов называется «узлом». Каналы пронизы76
вают всю структуру пены, представляя собой взаимосвязанную систему. Таким образом формируется пространственная структура,
характеризующаяся минимальной поверхностной энергией, а следовательно, и большей устойчивостью. В полидисперсной системе,
где пузырьки газа имеют разные размеры, форма правильного пентагонального додекаэдра нарушается, что приводит к снижению
устойчивости дисперсии.
Другой важной характеристикой пены является их дисперсность, т.к. она определяет большинство свойств и процессов, протекающих в них, поскольку кинетика изменения дисперсности отражает скорость внутреннего разрушения в результате коалесценции
и диффузии газа.
На дисперсный состав пенообразных систем существенное влияние оказывает тип и концентрация ПАВ (дисперсность повышается в результате понижения поверхностного натяжения), вязкость
дисперсионной среды и способ получения. Истинное давление в
пузырьках (PG, Па) определяется удельной поверхностью пены и
поверхностным натяжением раствора и не зависит от формы пленок
и пузырьков.
PG=2/3S,
(2.36)
где - поверхностное натяжение на границе раздела «жидкостьгаз), Н/м;
S - удельная поверхность пены, м2/м3.
Естественно предположить, что в образовании пенообразных
масс особое место отводится поверхностно-активным веществам.
Анионактивные ПАВ содержат в молекуле гидрофобную часть и
одну или несколько полярных групп и диссоциируют в водном растворе с образованием отрицательно заряженных длинноцепочечных
органических ионов, определяющих их поверхностную активность.
Гидрофобная часть молекулы обычно представлена предельными, непредельными, алифатическими и алкилароматическими цепями. Многообразие свойства анионактивных ПАВ объясняется
пространственным строением гидрофобной части и наличием промежуточных функциональных групп. Катионом в анионных ПАВ
может быть водород, металл или органическое основание. Анионионы являются носителями поверхностной активности и, адсорбируясь на границе раздела фаз, в силу своей гидрофобности, погру77
жены в дисперсную фазу. Анионактивные ПАВ являются наиболее
многочисленной группой соединений (80% от всех ПАВ).
Катионактивные ПАВ ( 15 %) диссоциируют с образованием
поверхностно-активного катиона с гидрофобной частью.
К неионогенным ПАВ относят: предельные, непредельные, первичные, вторичные и циклические спирты (RO(CH2CH2O)nH); карбоновые кислоты (RCOO(CH2CH2O)nH); алкилфенолы и алкилнафтолы (RC6H4O(CH2CH2O)nH; RC10H8O(CH2CH2O)nH); амины,
амиды, твины (продукты полимеризации оксида этилена); кремнийорганические соединения; высокомолекулярные производные
целлюлозы, сапонины, соли альгиновой кислоты.
Неионогенные ПАВ являются наиболее перспективным классом
ПАВ. Их получают на основе этиленоксида и других продуктов органического синтеза (спиртов, фенолов, карбоновых кислот и т.д.) К
веществам неионогенного типа также относят моно- и диэфиры сахаров, которые нашли широкое распространение в пищевой промышленности в силу своей безопасности, хороших технологических и функциональных свойств.
Поверхностно-активные вещества используют в основном в виде водных растворов. Даже в растворах с небольшой концентрацией
ПАВ вследствие адсорбции и ориентации молекул на поверхности
раздела фаз наблюдается понижение поверхностного натяжения. В
результате в таких растворах легко осуществляются процессы
эмульгирования, смачивания, диспергирования, пенообразования.
При малых концентрациях ПАВ в растворах вещество находится в молекулярной форме. Повышение концентрации ПАВ до определенного значения (критическая концентрация мицеллообразования) приводит к образованию агрегатов - мицелл, которые являются
новой фазой и придают раствору свойства, отличные от свойств истинных растворов (представляют собой микрогетерогенную систему). Мицеллообразование приводит к уменьшению запаса свободной энергии в растворах ПАВ. Этот процесс неизбежен в концентрированных растворах пенообразователей. Если в раствор ПАВ
ввести измельченное твердое вещество, то молекулы ПАВ из раствора будут адсорбироваться на их поверхности, пока не образуется
насыщенный адсорбционный слой. Форма и размер мицелл до
настоящего времени являются предметом исследований. Для растворов ПАВ характерно явление солюбилизации. Оно состоит в
том, что молекулы водонерастворимых углеводородов растворяют78
ся в растворах ПАВ. Это обусловлено взаимодействием мицелл с
молекулами углеводородов.
Амфотерные (амфолитные) ПАВ содержат в молекуле гидрофильный радикал, способный быть акцептором или донором протона в зависимости от рН раствора. При этом они проявляют свойства
катионных или анионных ПАВ. При некоторых значениях рН (изоэлектрическая точка) молекулы амфолитных ПАВ существуют как
биполярные сбалансированные ионы. Амфолитные ПАВ наименее
распространены (1-2 %), однако динамика роста их производства
свидетельствует о том, что они имеют большие перспективы в использовании. Основные преимущества амфолитных ПАВ: удовлетворительные санитарно-гигиенические свойства (низкая токсичность, высокая биоразлагаемость), высокие антистатические свойства, возможность комбинации с другими ПАВ.
Практика научного исследования показала, что образование
структуры пены по мере увеличения концентрации дисперсной фазы происходит через ряд последовательных состояний - от истинно
жидких (золи) через структурирование системы к твердообразным,
обладающим некоторыми признаками и свойствами твердого тела.
Возникновение и развитие пространственных пенных структур, обладающих фазовой устойчивостью, происходит во времени путем
сцепления или срастания частиц дисперсной фазы и приводит в системах с жидкой средой к изменению характера течения или к полному отвердеванию. Все значимые факторы можно разделить на
три группы.
К первой группе относятся те, которые связанные с наличием
пенообразователя, в качестве которого могут выступать коллоидные ПАВ или высокомолекулярные соединения. Традиционно в качестве пенообразователей используют средние члены гомологического ряда углеводородов. Среди высокомолекулярных соединений
лучшими пенообразователями являются полиэлектролиты, например, белки. Также установлено, что большей пенообразующей способностью обладают те пенообразователи, которые способны стабилизировать эмульсии первого рода (масло/вода). В этом случае
важную роль играет концентрация пенообразователя, причем для
коллоидных ПАВ максимальная пенообразующая способность достигается в определенном интервале концентраций. В случае применения высокомолекулярных пенообразователей с увеличением
концентрации возрастает и пенообразующая способность. Заметим,
79
что в некоторых системах, очевидно, вследствие избытка пенообразователя, наблюдается недостаток жидкости, т.е. коллоид гидратирован не полностью, что снижает его пенообразующие свойства.
Вторая группа факторов связана со свойствами дисперсионной
среды (жидкости). Ее характеристики обусловлены вязкостью (чем
больше вязкость жидкости, тем устойчивее пена); водородным показателем (рН среды) и наличием в жидкости низкомолекулярных
электролитов. Активная кислотность и низкомолекулярные электролиты характеризуют свойства дисперсионной среды лишь формально, но фактически определяют состояние и свойства пенообразователя. Например, жирные кислоты и их щелочные соли в кислой
среде практически не образуют пен. Максимальный уровень пенообразования с использованием жирных кислот обычно наблюдается
при рН 8-9, а пенообразование олеата натрия проявляется фактически только при рН 9, но даже при рН 12 не достигает максимального значения. С увеличением длины гидрофобной цепи в ряду
натриевых солей насыщенных жирных кислот максимум пенообразования смещается в щелочную область. Пенообразующая способность неионогенных ПАВ не зависит от рН в интервале 3-9. Белковые растворы проявляют максимальную пенообразующую способность в изоэлектрической точке.
Третья группа факторов связана с внешними воздействиями. К
ним относят температуру, испарение жидкости из пены, механические воздействия (вибрацию, гомогенизацию). С увеличением температуры качество пены в большинстве случаев ухудшается, поскольку увеличивается десорбция молекул пенообразователя, повышается испарение жидкости из пленок и понижается их вязкость.
Однако для некоторых пен, полученных на основе высокомолекулярных соединений, термическая обработка приводит к переходу
жидкой дисперсионной среды в твердообразную. При этом образуется пена, которая является абсолютно устойчивой.
С другой стороны, технологические воздействия нельзя анализировать только как фактор, влияющий на качество полученной пены. Например, одним из способов интенсификации получения пенных продуктов является повышение интенсивности взаимодействия
газа и жидкости за счет увеличения скорости рабочего органа взбивального аппарата и оптимального заполнения рабочей камеры. Образование пенной дисперсной системы в пенном аппарате зависит
также от физико-химических свойств компонентов, поскольку ме80
ханические воздействия могут привести к изменениям свойств пенообразователей.
Другим частным фактором, влияющим на свойства пен, является переведение двухфазной пены в трехфазную. Предпочтительным
в данном случае является большое различие в размерах воздушного
пузырька и твердой частицы и неупругое их соударение при встрече, т.к. слипание частиц тем эффективнее, чем значительнее потеря
кинетической энергии. Механизм стабилизации трехмерных пен
(газ-жидкость-твердые частицы) объясняют, в первую очередь,
сужением каналов Плато. В результате уменьшения «свободного
диаметра» канала скорость истечения раствора замедляется, пробки
из зерен, не прилипших к пузырькам, дополнительно закупоривают
эти каналы. Например, в молочной промышленности трехфазные
пены можно получить при охлаждении и взбивании сливок. При
этом триглицериды переходят из расплавленного (жидкого) состояния в твердое.
Различают два вида устойчивости пены: кинетическая (седиментационная) устойчивость - способность системы сохранять неизмененным во времени распределение частиц дисперсной фазы в
объеме системы, т.е. способность системы противостоять силе тяжести; агрегативная устойчивость - способность сохранять неизменными во времени размеры частиц дисперсной фазы (дисперсность) и их индивидуальность.
Приближенным показателем дисперсности может служить
средний диаметр газовых пузырьков в пене. Как правило, чем выше
дисперсность пены, т.е. чем меньше размер пузырьков, тем выше ее
устойчивость. Чем больше диаметр пузырька, тем сильнее его форма отличается от сферической, тем выше амплитуда колебаний и
больше скорость всплывания.
В результате отталкивания двойных электрических слоев в пенных пленках, стабилизированных ионогенными веществами, появляется расклинивающее давление. Наличие такого отталкивания доказано Б.В. Дерягиным при исследовании сжатия двусторонних
пленок, образованных в месте соприкосновения двух пузырьков.
Эти исследования позволили установить, что при увеличении толщины пленок они достигали некоторой постоянной величины, которая дальше не изменялась. В течение некоторого времени после
образования пена находится в гидростатическом равновесии. Эта
стадия характеризуется перераспределением жидкости между от81
дельными элементами пены, после чего гидростатическая устойчивость нарушается, наступает истечение жидкости, что приводит к
уменьшению поперечного сечения каналов, следствием чего является возникновение градиента капиллярного давления. Под действием разности давления в пленках пены происходят капиллярные
явления. Процесс всасывания представляет собой течение жидкости
по каналам.
Скорость синерезиса определяется гидродинамическим характером пены (размером и формой каналов, вязкостью жидкой фазы,
подвижностью раздела фаз), степенью внутреннего разрушения
структуры пены (пленок и каналов). Уменьшение дисперсности
приводит к возникновению избыточной жидкости и, тем самым, к
замедлению установления гидростатического равновесия.
Синерезис является многостадийным процессом (уменьшение
толщины пленок, стекание жидкости по каналам) разрушения пены.
На кинетику процесса значительное влияние оказывает начальное
состояние дисперсионной фазы. При больших перепадах давления
(pgH) синерезис в пене имеет следующие особенности:
структура является полностью полиэдрической, а каналы имеют
простую форму с одним радиусом; независимо от кратности и распределения жидкости по высоте столба синерезис развивается сразу после приложения перепада давления.
В низкократной пене (n5-10) жидкость достаточно быстро распределяется по высоте. Аналогичное состояние характерно для пен
кратностью n20-30, полученных методом барботирования газа через пористые перегородки. При этом для верхних слоев пены характерно уменьшение толщины пленок под действием капиллярного
давления и стекание жидкости по каналам.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие отечественные ученые внесли значительный вклад в развитие
теории дисперсных систем?
2. Что такое дисперсии? Как они классифицируются?
3. Что такое порошки? Чем порошки отличаются от гранул?
4. Приведите особенности технологии порошковых материалов.
5. Как классифицируются формы связи влаги?
6. Что такое активность воды?
7. Приведите примеры продуктов с промежуточной влажностью.
8. Дайте характеристику суспензиям.
82
9. Дайте характеристику гелям.
10. Дайте характеристику пенообразным массам.
11. Какими способами можно получить пенообразные массы?
12. В чем заключается процесс гранулирования?
13. Приведите примеры дисперсных систем продуктов питания.
14. Чем отличаются коагуляционные и кристаллизационные дисперсные
системы?
15. Рассчитайте межфазную поверхность жировой фазы молока с массовой долей жира 3%.
16. Что такое удельная поверхность? В каких единицах она измеряется?
17. Почему дисперсные системы являются неустойчивыми?
18. Какие факторы обусловливают устойчивость дисперсных систем?
19. Дайте характеристику избыточной свободной энергии дисперсной
системы.
20. Охарактеризуйте основные гелеобразователи, используемые в пищевой промышленности.
21. Приведите характеристику основных групп ПАВ, используемых в
пищевой промышленности.
Глава третья
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
И ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В
ТЕХНОЛОГИИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
Этапы развития биотехнологии
Каждую неделю население нашей планеты увеличивается в
среднем на 1,2 млн. человек, и по прогнозам специалистов в ХХI
веке оно должно превысить 6 млрд. Современный человек потребляет в сутки около 800 г пищи и 2000 мг воды. Суточный рацион
населения нашей планеты составляет более 4 млн. т пищи. Подсчитано, что темпы производства продукции сельского хозяйства будут
в дальнейшем все более отставать от темпов роста населения, несмотря на то, что уже сейчас дефицит продуктов питания в мире
превышает 60 млн. т. Остро стоит проблема недостаточного потребления белка и витаминов.
83
Главная роль в решении проблемы мирового дефицита пищевых
продуктов отводилась в недалеком прошлом интенсификации сельскохозяйственного производства. Однако научно доказано, что ликвидировать огромный дефицит в питании лишь за счет расширения
посевных площадей, увеличения поголовья скота, роста продуктивности растениеводства и животноводства невозможно, поэтому
предпринимаются меры, которые заключаются не только в увеличении валового урожая, но и повышении пищевой ценности продуктов. Разумеется для совершенствования сельскохозяйственного
производства еще не все резервы использованы. Наиболее реальный
выход - это поиск новых эффективных способов увеличения пищевых ресурсов планеты, использование нетрадиционных видов сырья, создание безотходных и внедрение новых технологий.
Накопленный в мире опыт создания новых технологий указывает на актуальность работ в области биотехнологии и необходимость
ускорения внедрения научно-технических достижений биотехнологии в различные отрасли народного хозяйства. Под биотехнологией
понимают изучение важнейших микробиологических процессов и
их практическое использование индустриальным способом, а также
методы получения полезных для человека веществ и продуктов в
регулируемых условиях, используя клетки животных и растений
или изолированные из клеток биологические структуры. Биотехнология - наука об использовании биологических процессов в технике
и промышленном производстве (от греч. bios - жизнь, techne - искусство, logos - слово, изучение, наука). К биологическим процессам относят те, в которых применяют биологические объекты различной природы (микробной, растительной, животной).
Развитие биотехнологии и использование ее достижений, согласно определению Европейской Федерации биотехнологов (ЕФБ,
1984), связано с накоплением фундаментальных знаний в области
молекулярной биологии, цитологии и генетики, теоретическими и
прикладными разработками в области науки о питании, совершенствованием технологии переработки сырья в готовую продукцию. В
биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия, иммунокоррекция и биоинженерия.
Осмысление биотехнологии произошло в ХХ в. Идея взаимоотношений человека и микромира с двух позиций - враждебности и
дружелюбия - впервые обоснована основателем современной микробиологии Луи Пастером, его учениками и последователями (А.
84
де Бари, Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, Р.Кох, И.И. Мечников,
Д. Листер, Д.И. Ивановский). В последующем сделаны важнейшие
открытия, благодаря которым микроорганизмы стали сознательно
применять для производства ряда пищевых продуктов.
На третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов, состоявшемся в 1984 г. в Мюнхене, предложено ретроспективное деление истории биотехнологии на пять периодов, соответствующих
важнейшим открытиям, обуславливающих новые возможности для
науки и промышленного использования (табл. 3.1). Каждый из периодов развития биотехнологии ознаменовался такими открытиями,
которые навсегда определили значение этой науки в развитии человечества. К ним относится целенаправленное использование микроорганизмов в технологии хлеба, вина, кисломолочных продуктов,
получение чистых культур микроорганизмов на селективных питательных средах, обнаружение вирусов и бактериофагов, теоретическое обоснование механизма ферментативных реакций, крупнотоннажный синтез органических веществ, в т.ч. - промышленное освоение производства антибиотиков и т.д.
Таблица 3.1
Основные вехи развития биотехнологии
Дата
Допастеровская эра (до
1865 г.)
1665 г.
1673-1683 гг.
1769-1780 гг.
1857 г.
Послепастеровская эра
(1856-1940 гг.)
1865 г.
1875 г.
1894 г.
Открытия и разработки
Использование спиртового брожения и молочнокислого
брожения для получения пива, вина, хлебопекарных и
пивных дрожжей, сыра
Р. Хуком описаны клеточные структуры некоторых биологических объектов
А. Левенгук обнаружил одноклеточные микроорганизмы
и бактерии
Г.К. Шеле получены органические кислоты (винная, молочная, лимонная, бензойная)
Установлено обязательное участие дрожжей в брожении
Производство этанола, бутанола, ацетона, глицерина, органических кислот и вакцин. Очистка сточных вод. Производство кормовых дрожжей из углеводов
И.Г. Менделем доказаны законы наследственности
Р. Кохом разработан метод получения чистых культур
микроорганизмов
И. Такамине получен первый ферментный препарат, вы85
1897 г.
1908 г.
1911-1920 гг.
Эра антибиотиков (19411960 гг.)
1942 г.
Эра управляемого биосинтеза (1961 г.)
Эра новой
биотехнологии
1972 г.
1994 г.
1999 г.
деленный из гриба, выращенного на влажном рисе
Установлено, что бесклеточные экстракты дрожжей способны гидролизовать сахара.
И.И. Мечниковым создана единая теория иммунитета
Т.Х. Морганом сформулирована хромосомная теория
наследственности
Производство пенициллина и других антибиотиков путем
глубинной ферментации. Получение вирусных вакцин,
микробиологическая трансформация стероидов
С. Ваксманом сформулировано учение об антибиотиках
Производство аминокислот с помощью микробных мутантов, получение чистых ферментов, промышленное
применение иммобилизованных ферментов и клеток
Использование генной инженерии для получения новых
объектов биосинтеза. Трансплантация эмбрионов
П. Бергом разработана технология клонирования ДНК
На продовольственном рынке после 10 лет испытаний
появился генетически модифицированный устойчивый
при хранении томат Flavr Savr («Calgene, Inc., США»)
В России зарегистрирована первая генетически модифицированная соя линии 40-3-2 («Monsanto Co., США»)
Накопленные научные факты побудили в 1950 г. француза
Ж. Моно опубликовать работу о теоретических основах непрерывного управляемого культивирования микробов в биореакторах. В
дальнейшем фундаментальные работы Ф. Крика и Дж. Уотсона
(1953 г.) по установлению структуры ДНК стали фундаментом исследований по генной инженерии и молекулярной биотехнологии.
Выяснение механизмов функционирования и регулирования ДНК,
выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В 1982 г. на рынке появился человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе встроенную генетическую информацию об
этом гормоне. По аналогичной технологии получены и другие генно-инженерные препараты, например, интерфероны, которые обеспечивают иммунитет человека.
Согласно классификации, предложенной И.А. Роговым, историю
развития биотехнологии в области производства пищевых продуктов можно классифицировать как традиционную биотехнологию,
86
современную и новейшую в соответствии с применяемыми методами и процессами:
- традиционная биотехнология (включает от трех до шести тысячелетий, вплоть до ХХ в) - период спонтанной, ненаправленной
ферментации, происходящей в процессах производства вина, хлеба,
пива, уксуса, квашении капусты, молочных продуктов;
- современная биотехнология - связана с использованием биотехнологии в различных производственных процессах, в первую
очередь для производства различных органических веществ, а также для изготовления пищевых продуктов (синтез пищевых кислот,
производство кормового микробного белка на основе углеводов
нефти, этанола и метанола в количестве более 1,8 млн. т, витаминов
в количестве более 3 тыс. т);
- новейшая биотехнология - базируется на научных открытиях в
области молекулярной биологии и генетики, т.е. достижениях генной инженерии (период характеризуется расширением исследований, направленных на внедрение в практику сельскохозяйственного
производства генетически модифицированных или трансгенных
растений, устойчивых к гербицидам, инсектицидам, вирусам, обладающих повышенными потребительскими свойствами).
Процессы, используемые в биотехнологии, основаны на функционировании либо клеток, либо изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. В крупнотоннажных биотехнологических производствах ферментационный процесс реализуют,
используя активные, специально селекционированные культуры
микроорганизмов.
В последние годы наиболее активно развивается направление
биотехнологии, связанное с созданием генетически модифицированных продуктов питания. Достижения современной науки позволяют осуществить перенос генов любого организма в клетку реципиента для получения растения, животного или микроорганизма с
рекомбинантными генами и, соответственно, свойствами.
В результате трансгенной модификации растения становятся
устойчивыми к гербицидам, инсектицидам, вирусам. Большое значение приобретают новые технологии получения трансгенных сельскохозяйственных животных и птицы, направленные на повышение
продуктивности и оптимизацию отдельных частей и тканей туши
(тушек), что оказывает положительное влияние на качество и физико-химические свойства мяса, его технологичность и промышлен87
ную пригодность, особенно в условиях дефицита сырья. Возможность использования специфичности и направленности интегрированных генов позволяет менять структуру и цвет мышечной ткани,
рН, жесткость, влагоудерживающую способность, степень и характер жирности (мраморность), а также консистенцию, вкусовые и
ароматические свойства мяса после технологической обработки. С
помощью генной инженерии можно не только добиться желаемых
показателей, но и повысить приспосабливаемость животных и птицы к окружающей среде, получить устойчивость к заболеваниям,
направленно изменить наследственные признаки.
Даже в самых прогрессивных процессах биотехнологии, основанных на использовании биологических агентов, полученных методами генной и клеточной инженерии, важно знать основные
принципы, использование которых позволяет управлять метаболизмом микроорганизмов и получать конечный продукт с максимальным выходом на фоне высокой интенсификации процесса. В целом,
в основу биотехнологии положены современные представления о
микроорганизмах и ферментных препаратах.
Основными приоритетными направлениями развития биотехнологии в производстве продуктов питания являются:
- использование биомассы микроорганизмов и препаратов на их
основе в качестве заменителей основного сырья, источника обогащения витаминов, микро- и макроэлементов, продуцента ферментов, аминокислот, ароматизаторов и красителей с целью совершенствования технологических процессов, создания принципиально
новых технологий, повышения пищевой ценности, увеличения срока хранения, улучшения вкуса, аромата, консистенции и других характеристик.
- применение иммобилизованных ферментов, преимущество которых заключается в возможности многократного их использования, повышенной стабильности и длительности ферментативной
активности, возможности использования при непрерывных технологических процессах, сравнительно коротком времени воздействия
на субстрат, возможности создания мультиферментных систем, отличающихся высокой эффективностью действия, и, наконец, в гигиенической безопасности. При правильном выборе иммобилизованного фермента и технологического процесса его использование
позволяет добиться существенного улучшения экономических показателей.
88
Подводя итог можно отметить, что биотехнология является динамично развивающейся отраслью как в мире, так и в России. Неслучайно по решению ООН ХХI в. объявлен веком биотехнологии.
Предполагается, что в 2005 г. европейский биотехнологический рынок достигнет 100 млрд. евро, а к 2010 г. объем мирового биотехнологического сектора будет составлять два трлн. евро. Ученые считают, что именно с ее помощью можно будет решить глобальные
проблемы, обострившиеся в настоящее время: экологические, продовольственные, промышленные, медицинские.
Ферменты как объект биотехнологии
Существенное значение в биотехнологии отведено использованию ферментов животного и растительного происхождения. В
настоящее время идентифицировано более 2000 ферментов. Катализируемая химическая реакция представляет собой тот специфический признак, по которому один фермент отличается от другого, поэтому естественно и логично, что классификация и номенклатура ферментов основывается на этом принципе. Современная
классификация ферментов разработана Комиссией Международного биохимического союза и изложена в книге «Номенклатура ферментов», которая вышла в русском переводе в 1979 г. В основе
классификации лежат три положения: все ферменты делятся на 6
классов по типу катализируемой реакции; каждый фермент получает систематическое название, включающее название субстрата, тип
катализируемой реакции, и окончание «аза»; кроме того, комиссией
были сохранены и узаконены тривиальные названия. Таким образом, возникла двойная система наименования ферментов; каждому
ферменту присваивается четырехзначный шифр (код): первое число
указывает класс ферментов, второе - подкласс, третье - подподкласс, четвертое - порядковый номер фермента в подподклассе.
По характеру катализируемых реакций ферменты делят на
шесть основных классов (табл. 3.2).
Таблица 3.2
Основные классы ферментов
Наименование
Катализируемые реакции
Примеры
89
класса
Оксидоредуктазы
Трансферазы
Гидролазы
Лиазы
Изомеразы
Лигазы
(синтетазы)
Восстановительные и окисли- Глюкозооксидаза, каталательные процессы
за, алкогольдегидрогеназа
Перенос различных химиче- Протеинкиназа, гликогенских групп от одного субстра- фосфорилаза, пируваткита к другому
наза
Гидролитическое расщепле- Протеазы, амилазы, целние химических связей суб- люлазы
стратов
Отщепление
химической Аспартаза, фумараза
группы с образованием двойной связи или, например, присоединение химической группы по двойной связи
Изменения в пределах моле- Триизофосфатизомераза
кулы субстрата
Соединение молекул субстра- ДНК-лигаза, триптофанта с использованием высоко- синтетаза
энергетических соединений,
например, АТФ
Ферментативный катализ существенно отличается от неферментативного, в связи с чем в кинетике ферментативных реакций существуют совершенно особые закономерности. Они позволяют выделить ферментативную кинетику в самостоятельный раздел химической кинетики, в котором изучается зависимость скорости реакций,
катализируемых ферментами, от концентрации реагирующих веществ (ферментов и субстратов) и от условий их взаимодействия
(температуры, рН, концентрации коферментов и кофакторов, наличия различных эффекторов, т.е. активаторов и ингибиторов).
Изучение кинетики ферментативного действия имеет важное
теоретическое значение, поскольку только с позиций кинетики
можно подойти к решению вопроса о механизме ферментативного
действия. Но оно также необходимо с практических позиций, т.к.
только имея определенные сведения о кинетике действия того или
иного фермента, можно подобрать оптимальные условия для его
работы, а также влиять на его активность в заданном направлении
на различных стадиях технологического процесса.
Вопросы, связанные с кинетикой ферментативных реакций, детально изложены в специальных разделах биохимии и энзимологии,
90
поэтому основное внимание уделим тем положениям, которые
необходимы для грамотного подхода к работе с ферментами: подбору условий для определения активности фермента, определению
начальной скорости реакции, выбору субстрата, определению его
насыщающей концентрации, оптимуму действия температуры и рН,
влиянию кофакторов, активаторов и ингибиторов.
Любая ферментативная реакция идет по схеме:
субстрат [фермент] продукт реакции.
Обозначим исходную мольную долю фермента через ХЕ (величина представляет собой общую концентрацию свободного и связанного фермента в любой момент времени), мольную долю субстрата через - ХS (ХSХЕ), мольную долю комплекса ферментсубстрат - через ХЕS, мольную долю продукта реакции - через ХР.
Для математической интерпретации фермент-субстратного взаимодействия используют классическую модель Микаэлиса-Ментена,
суть которой заключается в том, что сначала происходит обратимая
реакция между ферментом и субстратом, константа скорости которой k+1 (для прямой) и k-1 (для обратной):
ХЕсвоб+ХS
k 1
ХES,
k 1
(3.1)
где ХЕсвоб= ХЕ- ХES
Затем комплекс ES распадается с образованием продукта Р.
k2
ХES ХР-ХE,
(3.2)
Следовательно, скорость реакции зависит от констант скорости
и концентрации фермента ХЕ и субстрата ХS. Образование комплеко
са ES происходит со скоростью Х
ES.
о
Х ES=k+1(ХE-ХES) ХS-k-1 ХES-k2 ХES
о
В стационарном режиме при Х
ХES=
ES=0
(3.3)
имеем:
ХЕХS
.
(k 1 k 2) / k 1) Xs
(3.4)
Скорость образования продукта реакции:
91
о
Х
ES=
k2ХES=
k 2 ХЕХS
,
(k 1 k 2) / k 1) Xs
(3.5)
где k2XE - максимальная скорость образования продукта реакции.
Отношение (k-1+k2)/k+1 представляет собой константу Микаэлиса-Ментена, которую обозначим kM.
Скорость образования продукта реакции является максимальной
при условии, что концентрация субстрата очень высока и не является лимитирующим фактором, либо исходная концентрация фермента равна концентрации комплекса. Последнее условие эквивалентно
допущению, что k+1=∞.
Обозначим максимальную скорость образования продукта реако
ции через Х
max.
Получаем:
о
о
Х Р= Х
max[XS/
kM+XS].
(3.6)
Можно показать, что численно константа Микаэлиса-Ментена
представляет собой значение концентрации ХS, для которой
о
1 о
Х Р= Х max.
2
В более общем виде имеем:
о
kM=[( Х
о
График зависимости Х
Р
о
max-ХР)/
о
Р
о
1
2
max
о
Х
max
kM
92
max
(рис. 3.1).
Рис. 3.1. Зависимость
скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата согласно модели Микаэлиса-Ментена
о
Х
(3.7)
от XS представляет собой гиперболу,
для которой одна из асимптот есть Х
Х
Х Р] XS
XS
Таким образом, ход ферментативной реакции во времени не
может быть описан одним математическим уравнением, поскольку
все ферментативные реакции в самом начале своего протекания
(когда имеется избыток субстрата и образовалось мало продуктов
реакции) являются реакциями нулевого порядка, и только потом
они приобретают характер реакции первого или второго порядка.
Скорость реакции нулевого порядка со временем не меняется, зависимость количества образовавшегося продукта от времени остается
прямо пропорциональной (рис. 3.2). Для реакций первого порядка
скорость реакции в каждый данный момент времени пропорциональна имеющейся в наличии концентрации субстрата, а следовательно, наблюдается постоянное падение скорости реакции с течением времени (рис. 3.3).
Скорость образования
продуктов реакции, k2XE
Скорость образования
продуктов реакции, k2XE
В модели Микаэлиса-Ментена предполагается, что при низких
концентрациях субстрата реакцию можно считать реакцией первого
порядка относительно субстрата и реакцией нулевого порядка относительно фермента. При высоких концентрациях субстрата она становится реакцией нулевого порядка относительно субстрата и первого порядка относительно фермента; при промежуточных концентрациях субстрата, в частности при значениях XS≈k,- реакцией второго порядка.
Продолжительность,
Рис. 3.2. Графическое изображение
реакции нулевого порядка
П
Продолжительность,
Рис. 3.3. Графическое изображение реакции первого порядка
Хотя изложенная модель очень простая, ее использование приводит к результатам, хорошо совпадающим с экспериментальными.
Преимущество модели заключается в том, что она описывает процесс ферментации в любой среде при любой температуре. При этом
используются только два параметра: константа kM и максимальная
93
о
скорость реакции Х max. На практике эти параметры определяют,
измеряя скорости реакции для различных концентраций субстрата.
В литературе встречаются и другие модели, в которых, в частности,
учитываются возможные ингибирующие факторы.
Любой ферментный препарат прежде всего должен быть охарактеризован по его ферментативной активности. Комиссия по
ферментам Международного биохимического союза рекомендует
использовать следующие понятия и выражения единиц активности
ферментов:
- стандартная единица активности фермента - такое количество фермента, которое катализирует превращение одного микромоля данного субстрата за одну минуту при заданных условиях.
Стандартная единица фермента обозначается буквой Е (от русского
слова «единица») или буквой U (от английского слова «unit»);
- удельная активность - число единиц (Е или U), отнесенное к
одному миллиграмму белка в ферментном препарате;
- молекулярная активность - число молекул данного субстрата
или эквивалентов затронутых групп, превращаемых за одну минуту
одной молекулой фермента при оптимальной концентрации субстрата (понятие соответствует числу оборотов, введенных Варбургом, т.е. число молей превращенного субстрата, приходящееся на
моль фермента за минуту;
- катал - каталитическая активность, способная осуществлять
реакцию со скоростью равной 1 молю в секунду в заданной системе
измерения активности.
Каталитическая активность в 1 катал (кат) при практическом
применении оказывается слишком большой величиной, поэтому в
большинстве случаев каталитические активности выражают в микрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат) или пикокаталах (пкат).
Стандартная единица фермента находится с каталом в следующем
соотношении: 1 Е (U)=16,67 нкат.
Для того чтобы правильно определить потенциальные возможности фермента как катализатора, нужно учитывать скорость ферментативной реакции в тот момент времени, когда факторы, замедляющие скорость ферментативной реакции (нехватка субстрата,
специфическое ингибирование продуктами реакции, частичная тепловая денатурация фермента и др.), не успевают проявить свое действие и наблюдается прямая пропорциональная зависимость между
94
продуктами реакции и временем. На практике начальную скорость
ферментативной реакции определяют графически, для чего строят
кривую хода ферментативной реакции во времени. Начальная скорость определяется как тангенс угла наклона касательной, проведенной из начала координат к кривой ферментативной реакции.
Многие ферменты катализируют реакции с участием двух субстратов. К так называемым бимолекулярным реакциям относятся
реакции переноса химических группировок с одного соединения на
другое, реакции синтеза, окислительно-восстановительные реакции.
Такие реакции могут протекать по двум различным схемам. В реакциях первого типа, называемых реакциями единичного замещения,
два субстрата А и В образуют с ферментом комплекс ЕАВ, который
затем распадается с образованием продуктов реакции С и Д. Второй
тип двухсубстратных реакций протекает схеме двойного замещения
(типа «пинг-понг»). В этих реакциях с активным центром фермента
в каждый момент времени связан только один из двух субстратов.
На температурной кривой можно обнаружить снижение скорости ферментативной реакции при температурах, превышающих оптимальную. И это зависит, в первую очередь, от денатурации ферментного белка. Именно поэтому очень важным показателем, характеризующим отношение фермента к температуре, является его
термостабильность. Термостабильность фермента складывается из
двух критериев: величины температуры и продолжительности ее
воздействия на фермент. Кроме того, на термостабильность различных ферментов могут оказывать влияние и такие факторы, как рН
среды, ее солевой состав, защитное действие субстрата.
Для каждого фермента характерна определенная узкая область
значений рН, при которой он проявляет максимальную активность.
Форма кривых, описывающих зависимость активности фермента от
рН, отражает способность важных для данного фермента протондонорных или протон-акцепторных групп в активном центре фермента переходить в состояние с требуемой степенью ионизации при
определенных значениях рН.
Кроме влияния рН на состояние ионизации активного центра
фермента, ход представленных кривых будет зависеть и от других
факторов. В частности, изменение рН среды изменяет состояние
ионизации субстрата (если это заряженное вещество), комплексов
ХЕS и ХЕР, а в некоторых, например, окислительновосстановительных реакциях, ионы Н+ сами могут принимать уча95
стие в реакции. Помимо этого, скорость денатурации ферментативного белка зависит от рН.
При экспериментальном изучении активности фермента от рН
следует помнить, что рН-оптимум зависит от состава среды (от
природы используемого буфера); оптимумы рН прямой и обратной
реакции могут быть совершенно различными; при действии одного
и того же фермента на различные субстраты рН-оптимумы также
могут быть различными.
Кроме понятия оптимума рН, очень важным является понятие
рН-стабильности. Это тот диапазон рН, при котором фермент или
ферментативный препарат сохраняет свою активность в течение
определенного периода времени. рН-стабильность также зависит от
ряда факторов, среди которых, кроме уже названных, форма ферментного препарата, степень его очистки и др. Все вышеизложенное позволяет утверждать, что варьируя температурный режим и
изменяя рН, можно в какой-то мере регулировать каталитическую
активность фермента.
В ферментативных реакциях большое значение играют активаторы и ингибиторы процесса. Активаторами называют вещества,
которые повышают активность ферментов. Хорошим примером таких соединений являются аминокислота цистеин и восстановленный глютатион, содержащие свободную SН-группу. Их активирующее действие заключается в том, что они восстанавливают дисульфидные связи с образованием SН-групп, необходимых для проявления каталитической активности тиоловых ферментов. Кроме
того, некоторые ферменты активируются металлами, которые либо
участвуют в построении активного центра, либо стабилизируют
пространственную конформацию ферментного белка и, тем самым,
обеспечивают проявление каталитических функций.
Ингибиторами называют вещества, специфически снижающие
активность ферментов. Снижение или полная потеря активности
ферментов могут быть вызваны разного рода денатурирующими
воздействиями. В этом случае правильнее употреблять термин
«инактивация» фермента. Механизм действия ингибиторов может
быть самым разнообразным:
- ингибитор взаимодействует с апоферментом, при этом возможны такие варианты, как связывание функциональных групп
белка, изменение третичной и четвертичной структуры апофермен-
96
та, специфическое связывание с определенным участком апофермента, неспецифическая адсорбция на белке;
- ингибитор образует комплекс с субстратом;
- ингибитор связывает кофермент;
- ингибитор связывает активатор;
- ингибитор связывает кофактор.
В свое время Эмиль Фишер, говоря о том, что субстрат подходит
к ферменту как «ключ к замку», предполагал, что активный центр
фермента имеет совершенно жесткую структуру, комплементарную
структуре субстрата. В развитие представлений Э. Фишера американский исследователь Д. Кошланд выдвинул теорию «индуцированного соответствия». Ее суть заключается в следующем. Пока
фермент не вступает во взаимодействие с субстратом, структура его
активного центра лишь приблизительно комплементарна структуре
субстрата; их полная комплементарность наступает лишь в момент
их взаимодействия т.е. индуцируется взаимодействием. Таким образом, выводы Э. Фишера о жестком соответствии структуры фермента и субстрата заменяются на представления о гибких, эластичных активных центрах молекул фермента. Теория Кошланда подразумевает, что конформация молекулы фермента и его активного
центра может изменяться под влиянием коэнзима и субстрата.
Экспериментальные данные, полученные для ряда ферментов,
свидетельствуют о том, что в результате присоединения фермента к
субстрату происходит изменение ряда физико-химических показателей ферментного белка.
В настоящее время выделяют четыре основных фактора, определяющие каталитическую активность ферментов.
1. Сближение и ориентация субстрата по отношению к каталитической группе. Другими словами, фермент способен связывать
молекулу субстрата таким образом, что атакуемая связь располагается вблизи от каталитической группы и правильно ориентируется
относительно нее в пространстве.
2. Напряжение и деформация: индуцированное соответствие.
Присоединение субстрата может вызвать конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к напряжению
структуры активного центра, к некоторой деформации связанного
субстрата, облегчая тем самым достижение комплексом ХЕS необходимого состояния.
97
3. Общий кислотно-основной катализ. В активном центре фермента могут находиться группы специфических аминокислотных
остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами
протонов. Такие кислотные или основные группы представляют
собой мощные катализаторы многих органических реакций, протекающих в водных системах.
4. Ковалентный катализ. Некоторые ферменты реагируют со
своими субстратами, образуя очень нестабильные, ковалентно связанные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе последующей реакции образуются продукты реакции.
Перечисленные выше четыре фактора, по-видимому, вносят
различный вклад в ускорение химических реакции ферментами различных типов. Эти факторы реализуются в разных ферментах в
разных сочетаниях, и в результате механизм действия каждого фермента уникален.
В различных пищевых технологиях долгое время применялись
лишь препараты свободных ферментов, срок использования которых - один производственный цикл. Однако достижения молекулярной биологии, биохимии и энзимологии привели к тому, что в
настоящее время строение и функции многих ферментов изучены
очень детально, и это позволило создать теоретическую базу для
производства ферментов пролонгированного действия или иммобилизованных ферментов, т.е. связанных ферментных препаратов.
Сущность иммобилизации ферментов заключается в присоединении их в активной форме тем или иным способом к инертной
матрице (обычно это нерастворимый полимерный носитель). Иммобилизацию фермента можно определить и как включение молекулы фермента в какую-либо изолированную фазу, которая отделена от фазы свободного раствора, но способна обмениваться находящимися в ней молекулами субстрата, эффектора или кофактора.
Фаза фермента обычно нерастворима в воде и часто представляет собой высокомолекулярный гидрофильный полимер, например,
целлюлозу, полиакриламид и т.д. Включение фермента в изолированную фазу осуществляют различными способами: фермент
может быть ковалентно связан с этой фазой, адсорбирован на ней
или физически включен в нее.
Возможны следующие способы иммобилизации фермента.
1. Ковалентное связывание. Молекула фермента ковалентно
связывается с нерастворимым полимером. Полимер может быть в
98
виде порошка или в форме пленки. Иногда молекулы фермента соединяются ковалентными связями друг с другом или с каким-либо
инертным белком; при этом образуется нерастворимый, но активный полимерный фермент.
2. Электростатическое связывание. Этот способ иммобилизации основан на использовании электростатических или других нековалентных механизмов связывания.
3. Сополимеризация с помощью многофункциональных реагентов. Связывание молекул фермента с белками (например, с альбумином) или друг с другом осуществляется за счет использования
определенных реагентов. В качестве такого многофункционального
реагента часто используют глутаровый альдегид, гелеобразующее
действие которого известно давно. В этом способе необходимо избегать взаимодействия реагента с активным центром фермента и
ингибирования последнего.
4. Включение в полимер. В этом способе фермент не прикреплен
к полимеру, но удерживается внутри него, поскольку последний
образует вокруг фермента сетеобразную матрицу Ячейки этой матрицы настолько малы, что молекула фермента не может освободиться из сети, но в то же время достаточно велики для проникновения низкомолекулярных субстратов. Примером такого способа
иммобилизации могут служить:
- включение в липосомы, когда фермент находится в водном
растворе, окруженном фосфолипидным барьером;
- гидрофобное взаимодействие, когда фермент «погружен» в
гидрофобную часть двойного липидного слоя.
5. Инкапсулирование. Включение фермента в органическую или
неорганическую капсулу, которая представляет собой полупроницаемую мембрану.
Выбор способа иммобилизации ферментов определяется обоснованием подходящего метода. Этот выбор определяется целым
рядом факторов, многие из которых невозможно выявить до тех
пор, пока метод не будет опробован. Первичный отбор осуществляется обычно эмпирическим путем. Сначала нужно решить, необходим ли для прикрепления фермента специфический носитель, не
будет ли процедура иммобилизации инактивировать фермент и
сможет ли иммобилизованный фермент действительно функционировать в тех условиях, при которых его предстоит использовать,
99
именно поэтому для успешной иммобилизации следует по возможности принять во внимание следующие факторы:
- фермент должен быть стабильным в условиях реакции;
- реагенты, образующие поперечные сшивки, не должны взаимодействовать с химическими группировками активного центра. В
связи с этим молекула поперечно-сшивающего реагента должна
быть как можно больших размеров, что будет препятствовать его
проникновению в активный центр;
- всегда, когда это осуществимо, необходимо тем или иным способом защищать активный центр фермента (например, обработка
тиоловых ферментов глютатионом или цистеином);
- процедура промывания для удаления «непришитого» фермента
не должна оказывать влияния на иммобилизованный фермент;
- полимерная матрица не должна являться субстратом для иммобилизованного фермента;
- необходимо учитывать механические свойства носителя, особенно его механическую прочность и физическую форму.
Ферменты животного происхождения выделяют из органов, в
которых интенсивно протекают биохимические процессы. Из слизистой желудка получают пепсин, из поджелудочной железы свиней получают смеси трипсина, химотрипсина, липаз и амилаз. Из
ферментов растительного происхождения наиболее широко в
народном хозяйстве используют амилазы и протеазы.
Трудоемкость и ограниченность ресурсов для получения животных и растительных белков, а также сезонные ограничения (для
растительных ферментов) вызвали необходимость изыскания новых
способов получения ферментов. Современные методы генетики и
генной инженерии позволяют целенаправленно увеличивать выход
необходимых ферментов, получаемых микробиологическим путем.
Кроме того, среди микроорганизмов можно найти формы, живущие
в экстремальных условиях (термофилы, мезофилы). Это обусловливает то, что можно выделить ферменты с улучшенными свойствами: термостабильные, осмоустойчивые и т.д.
Микроорганизмы в качестве продуцентов ферментов представляют особый интерес, поскольку их метаболизм, а, следовательно, и
работа ферментных систем осуществляется с высокой скоростью.
Многие микроорганизмы выделяют ферменты, которые в большом
количестве мигрируют в культуральную среду. Основными промышленными микроорганизмами для производства ферментных
100
препаратов являются плесневые грибы Aspergillus oryzae, Asp.
awamori, Asp. niger и др. Они являются активными синтезаторами
амилолитических, протеолитических, пектолитических и других
ферментов. Аналогичной способностью обладают бактерии видов
Bac. mesentericus и др. Способностью активно продуцировать целлюлитические ферменты обладают представители ряда несовершенных грибов родов Alternaria, Trichoderma, Fusarium и др.
С технологической точки зрения очень важно то, что микроорганизмы выделяют ряд ферментов из клеток в окружающую среду.
Это существенно облегчает их выделение и чистку. Важным требованием к применяемому продуценту является его способность к образованию большого количества какого-либо одного фермента при
незначительном количестве другого фермента. Выделение ферментов из биомассы является сложным процессом. В его основу положены разнообразные методы, использование которых зависит от
свойств выделяемого фермента. К подобным методам относят высаливание, осаждение под действием растворителей, высокомолекулярных соединений, температуры или ионов Н+, металлов.
В производстве ферментных препаратов используются комплексные среды, являющиеся смесью синтетических сред с естественными материалами растительного, животного и микробного
происхождения.
Применяют два способа выращивания продуцентов ферментов:
поверхностный (предусматривает выращивание микроорганизмов,
главным образом плесневых грибов на поверхности твердых, полужидких или сыпучих материалах, и создает хорошие условия для
максимального контакта микроорганизмов с кислородом воздуха) и
глубинный (предусматривает выращивание микроорганизмов на
жидких средах при использовании в качестве продуцентов ферментов микроорганизмов, способных интенсивно развиваться в условиях недостаточного контакта клеток с кислородом).
Синтетические среды готовят из различных минеральных солей
и органических соединений, являющихся источником углерода,углеводов, спиртов, органических кислот. В качестве естественных
материалов применяются отходы пищевых производств: отруби,
меласса, жмыхи, кукурузный экстракт, солодовые ростки, пивные
дрожжи, зерно-картофельная барда и др. Для накопления ферментов в культуральной среде необходимы оптимальные условия для
101
их синтеза; оптимальный состав среды; температуру; значение рН,
снабжение клеток кислородом воздуха, удаление продуктов обмена.
При поверхностном способе выращивания ферменты из питательной среды экстрагируют водой, отделяют от твердой фазы,
сгущают до концентрации сухих веществ 50 %. При глубинном
культивировании отделяют клетки микроорганизмов от культуральной жидкости фильтрацией или центрифугированием. Фильтрат или центрифугат сгущают до концентрации сухих веществ 40
%. Полученные таким образом концентраты ферментов представляют собой технические ферментные препараты, которые могут использоваться в жидком виде или после высушивания в виде порошка. Для очистки ферментов применяется осаждение их из водных
растворов органическими и неорганическими растворителями (метиловым эфиром, изопропиловым спиртом, ацетоном, сульфатами
аммония, натрия, цинка, хлоридом натрия). Высушивание предварительно очищенных и сконцентрированных препаратов осуществляют в распылительных сушилках или методом сублимации.
Ферментные препараты представляют собой концентраты
ферментов, полученные с помощью микроорганизмов, содержащие
в своем составе наряду с ферментами балластные вещества. Выпускают ферментные препараты в виде жидкостей с концентрацией
сухих веществ не менее 50 %, либо порошков белого, серого или
желтого цвета, имеющих определенную ферментативную активность. Ферментные препараты применяются в производствах как
катализаторы соответствующих биохимических процессов.
Использование ферментов
в аналитической практике
Ферментативный анализ представляет собой один из основных
аналитических инструментов в международной и отечественной
практике научных исследований, современного производственного
и сертификационного контроля качества продуктов питания, пищевого сырья и биологических материалов.
Ферментативный анализ является составной частью энзимологии и аналитической химии и служит для специфического определения веществ с помощью высокоочищенных препаратов фермен102
тов. Cлова одного из основоположников ферментативного анализа
Г. Бергмана отражают достоинства обсуждаемых методов: «Ферментативный анализ, как принцип, свободен от недостатков и ошибок, т.к. он представляет систему для измерений, которую успешно
использует живая клетка уже в течение миллионов лет».
В основе ферментативного анализа лежат природные биохимические процессы обмена веществ, которые воспроизводят in vitro
реакция фермента с субстратом, причем в качестве субстрата выступает анализируемое вещество пробы. Основными преимуществами применения ферментативных методов в научных исследованиях, при разработке новых пищевых технологий и биотехнологических процессов, а также при анализе качества, идентификации и
установления фальсификации сырья и продуктов питания являются
четыре принципа.
1. Высокая специфичность и достоверность результатов. Высокоспецифичные ферментативные методы анализа дают, как правило, более достоверные результаты, чем неспецифические химические методы. Специфичность действия ферментов, основанная на
комплементарности пространственной конфигурации активного
центра и субстрата является гарантом достоверности и надежности
ферментативного метода при исследовании отдельных соединений
в многокомпонентных смесях, имеющих сложный состав и строение, таких, какими и являются пищевые продукты. При разработке
ферментативных методов и подборе реагентов, в первую очередь,
выбирают ферменты с наибольшей специфичностью действия, для
которых подбираются оптимальные условия проведения анализа.
Кроме того, при разработке методов ферментативного анализа отдельных компонентов обычно используют несколько ферментов,
которые последовательно функционируют в данной системе.
2. Простые способы подготовки проб, которые исключают
потерю исследуемых компонентов. Основная задача, которую
необходимо выполнить при подготовке пробы, - по возможности
наиболее полно сохранить для анализа исследуемый компонент без
его количественной потери или изменения структуры. В некоторых
случаях возможен прямой анализ пробы без ее предварительной
подготовки (например, при абсолютной специфичности фермента к
исследуемому веществу и отсутствии в пробе каких-либо мешающих факторов). Обычно же для ферментативного анализа используются простые и хорошо известные способы подготовки проб, та103
кие как разбавление, фильтрация (центрифугирование), нейтрализация (подкисление), экстракция, обезжиривание, осветление, обесцвечивание. Только в определенных случаях применяют специальные способы подготовки проб, например, при определении водонерастворимых соединений (холестерин, лецитин, крахмал), нестабильной L-аскорбиновой кислоты в твердых материалах и др.
3. Простая и быстрая процедура измерений, которая исключает использование дорогостоящего оборудования. В большинстве
ферментативных определений используют фотометрические способы измерения результатов. Для этого все компоненты искусственной тестовой системы, например, буфер, коферменты, активаторы,
вспомогательные ферменты и пробу смешивают в фотометрической
кювете. После измерения начальной оптической плотности добавляют стартовый фермент, который инициирует реакцию. Через
определенный промежуток времени повторно измеряют оптическую плотность тестовой системы. Из разницы оптических плотностей в начале и в конце реакции по уравнению закона ЛамбертаБера рассчитывают концентрацию С, г/л, искомого соединения:
С=
[(E2 - E1 )опыт - (E2 - E1 )контроль V
ε d v 1000
M
F
, (3.8)
где (Е2 - Е1)опыт - разница конечной и начальной оптической плотности в кювете с пробой;
(Е2 - Е1) - разница конечной и начальной оптической плотности
в кювете без пробы;
V - общий объем реакционной смеси, мл;
М - молярная масса искомого соединения, г/моль;
F - фактор разведения пробы;
ε - молярный коэффициент экстинкции (например, кофермента
НАДФ/НАД при λ=340 нм, ε =6,3
л
ммоль см
);
d - толщина кюветы, см;
- объем пробы, добавляемый в кювету, мл.
В большинстве ферментативных методов прямому фотометрическому контролю доступно измерение таких вспомогательных
компонентов тестовой системы, как коферментов НАД+/НАДН или
НАДФ+/НАДФН. Количество восстановленных или окисленных
коферментов прямопропорционально количеству искомого соеди104
нения. Система конечных значений с фотометрическим измерением
результата настолько надежна, что служит в качестве стандарта для
оценки других методик. Для проведения ферментативного анализа
используется стандартное оборудование, которое имеется практически в любой производственной лаборатории: спектрофотометры
или фотометры с интервалом измерений от 325 до 800 нм; кюветы
для фотометрических измерений, мерные пипетки и дозаторы, весы,
центрифуга, рН-метр, термостат, фильтры и т.д.
4. Высокая чувствительность метода и хорошая воспроизводимость результатов. Высокая чувствительность позволяет использовать ферментативные методы для определения следовых количеств
веществ. Например, в продуктах питания могут быть определены
следующие концентрации компонентов (г/л): этанол - 0,001; ацетоальдегид - 0,001; лимонная кислота - 0,002; глицерин - 0,001; Dглюкоза - 0,002; D-сорбит - 0,001; лактоза - 0,005; нитраты - 0,001.
Области применения ферментативного анализа на практике
многообразны. Это и производственный контроль, и контроль качества готовой продукции, а также контроль сырья, анализ состава
пищевого продукта с целью установления их свойств и соответствия законодательным нормам, оценка гигиенического статуса,
идентификация и установление фальсификации.
Использование ферментных препаратов
в технологии продуктов питания
Мукомольное производство и хлебопечение. Качество хлеба
определяется особенностями химического состава муки и активностью ее ферментного комплекса. Значительное влияние оказывают
также условия брожения и выпечки. Получить хлеб хорошего качества можно только в том случае, когда в процессе тестоведения гармонически сочетаются скорости микробиологических процессов и
биохимических превращений. Ферментативный гидролиз высокомолекулярных компонентов сырья - белков и углеводов - в определенной степени способствует интенсификации этих превращений и,
в конечном счете, положительно сказывается на качестве хлеба.
Если раньше в качестве источника ферментов использовали солод, то в последние годы все большие масштабы приобретает при105
менение ферментных препаратов для регулирования биокаталитических процессов, протекающих при приготовлении теста, и выпечки хлеба. Солод используется в основном для приготовления питательных сред (заварок) для жидких дрожжей, для активации прессованных дрожжей, а также при выпечке специальных сортов хлеба, например, «рижского».
Эффективность использования тех или иных ферментных препаратов в хлебопечении в значительной степени зависит от качества
муки. Хлебопекарные свойства муки, в особенности качество клейковины и активность собственных ферментов, определяют требования к ферментным препаратам.
Основным препаратом, широко используемым в хлебопекарной
промышленности, является амилоризин П10Х. Препарат получают
из поверхностной культуры А. оrуzае осаждением этанолом. Он обладает амилолитической и протеолитической активностью. В соответствии с нормативной документацией препарат должен удовлетворять следующим требованиям: амилолитическая способность 2000 ед/г препарата; осахаривающая способность - 150 ед/ г препарата; протеолитическая активность - 7 ед/г препарата. Кроме того,
особо важное значение для хлебопекарной промышленности имеет
степень обсемененности препарата спорами Вас. mesentericus (картофельная палочка) и Вас. subtilis (сенная палочка). Существенный
признак поражения хлеба картофельной палочкой - тягучий мякиш
и появление специфического неприятного запаха и вкуса, поэтому
на хлебозаводах при выработке хлеба с использованием препарата
амилоризина П10Х каждую партию препарата проверяют на обсемененность спорами Вас. mesentericus (она не должна превышать
величину 105). Одним из требований, обуславливающих стабильность ферментных препаратов, является их строгая стандартизация.
За рубежом для этой цели используют различные наполнители: сахар, крахмал, декстрины и т.д. В нашей стране наряду с этими наполнителями применяют сернокислый аммоний, именно он включен в ГОСТ на амилоризин П10Х.
Получить хлеб с надлежащей пористостью, объемом и окраской
корки можно только в том случае, если на всех стадиях технологического процесса достаточно сахаров, обеспечивающих интенсивность газообразования. Несмотря на присутствие в муке собственных сахаров, хлеб, полученный за счет сбраживания только собственных сахаров муки, не будет отвечать требованиям стандарта.
106
При газообразовании только за счет собственных сахаров муки максимум выделения диоксида углерода приходится на первые 1-2 часа
брожения. Между тем в процессе хлебопечения газообразование в
тесте должно оставаться достаточно высоким и на последней стадии (расстойка и первые 10-15 минут выпечки). При наличии в муке
активной β-амилазы газообразование в процессе брожения теста
идет по возрастающей и максимум приходится на 4 часа брожения.
В противном случае для получения дополнительного количества
сбраживаемых сахаров и интенсификации процесса брожения необходимо применение амилолитических ферментных препаратов.
Однако значение сахаров, безусловно, не ограничивается только
процессом брожения. Огромную роль сахара играют в образовании
красящих и ароматических веществ хлеба, участвуя в реакции меланоидинообразования.
Исключительно важны для хлебопечения и те изменения, которые претерпевает при тестоведении и расстойке белковый комплекс
муки. Именно белковый комплекс и его ферментативные изменения
определяют собой физические свойства теста. От белкового комплекса зависит как поведение теста при его замесе и расстойке (в
частности, формоудержание), так и качество готового хлеба, его
объем, пористость, структура мякиша.
Говоря о протеолитических ферментах, воздействующих на
белковый комплекс муки, необходимо еще раз отметить эндогенные
протеазы зерна пшеницы, среди которых наибольшее значение
имеют нейтральные протеазы, превосходящие по своей активности
кислые протеазы в несколько раз и способные в условиях теста эффективно расщеплять белки клейковины.
Производство крахмала и крахмалопродуктов. Современная
крахмало-паточная промышленность, используя в основном традиционные источники сырья - картофель и кукурузу - вырабатывает
большой ассортимент продукции, включающий десятки наименований, которые используются в различных отраслях промышленности. В первую очередь, это отрасли пищевой промышленности (кондитерская, хлебопекарная, молочная, консервная, пищеконцентратная и т.д.), а также другие отрасли (медицинская, текстильная, полиграфическая и др.). Основными продуктами крахмалопаточного производства являются: сухой крахмал; модифицированные крахмалы: расщепленные крахмалы (окисленные и набухающие); замещенные крахмалы (фосфатные, ацетилированные, сопо107
лимеры крахмала); декстрины; различные виды крахмальных паток:
карамельная (38-44 % редуцирующих веществ), карамельная низкоосахаренная (30-34 % редуцирующих веществ), глюкозная высокоосахаренная (44-60 % редуцирующих веществ), мальтозная (не менее 60 % редуцирующих веществ); глюкоза (техническая, пищевая,
кристаллическая); глюкозо-фруктозные сиропы.
В натоящее время в России ведется поиск новых источников
крахмала и разработка новых технологических приемов с целью
увеличения объема и расширения ассортимента вырабатываемых
сахаристых крахмало-продуктов. Одним из таких перспективных
видов крахмалсодержащего сырья является зерновое сорго, которое
может быть использовано наряду с картофелем, кукурузой, рисом и
пшеницей. Кроме того, ведется поиск и исследование новых амилолитических ферментных препаратов и способов ферментативного
получения сахарных сиропов (гидролизатов) различного углеводного состава с учетом их целевого назначения.
Ферментные препараты амилаз нашли широкое применение в
технологиях получения различных паток и глюкозы. Первой технологической операцией производства крахмальных гидролизатов является гидролиз крахмала. Его проводят кислотным, кислотноферментативным или ферментативным способом. Во всех случаях
процесс гидролиза включает стадии клейстеризации крахмала, разжижения крахмального клейстера и его осахаривания.
Кислотный гидролиз в настоящее время осуществляется, в основном, с применением соляной кислоты. При этом можно достичь
различной степени гидролиза и получить гидролизаты с различной
степенью осахаривания. Однако кислотный гидролиз крахмала, несмотря на дешевизну и быстроту процесса, имеет весьма существенные недостатки: получаемые гидролизаты имеют невысокое
качество из-за присутствия в них продуктов деградации белков, а
также минеральных примесей, которые образуются при нейтрализации кислоты после гидролиза.
Кислотно-ферментативным методом производят разжижение
крахмала сначала кислотой (для этого суспензию крахмала подкисляют соляной кислотой до рН 1,8-2,5, нагревают до 140 °С в течение 5 минут), а затем нейтрализуют раствором кальцинированной
соды до рН 6,0-6,5 и охлаждают до 85 °С, после чего добавляют
препарат α-амилазы и ведут гидролиз в течение 30 минут. С целью
разжижения на этой стадии используют ферментный препарат ами108
лосубтилин Г10Х. Этот препарат выпускается в виде порошка; содержит в основном α-амилазу и β-глюконазу. Оптимальные условия
действия препарата: рН 6,2-6,8, температура 85-87°С.
Осахаривание полученного гидролизата также проводят с использованием ферментов. Для этой цели наиболее широко применяют порошкообразный ферментный препарат глюкавомарин Г20Х.
Препарат содержит в основном глюкоамилазу. Оптимальные условия действия препарата глюкоавомарина Г20Х: оптимум рН 4,0-5,5;
оптимум температуры 56-58°С.
Ферментативный способ заключается в том, что 30-35 %-ную
крахмальную суспензию прогревают до 55°С, доводят рН до 6,3-6,5,
добавляют раствор ферментного препарата амилосубтилина Г10Х и
раствор кальцинированной соды в качестве стабилизатора. Процесс
разжижения длится в течение 1 часа при температуре 85-90°С при
непрерывном перемешивании. Далее стадия декстринизации и осахаривания проводится с использованием препаратов амилосубтилина Г10Х, амилоризина Г10Х и П10Х. Этот процесс идет 2-3 часа
при температуре от 53 до 85°С и рН 4,7-5,5.
Дальнейшее осахаривание ведут при 60°С и оптимальном рН, а
продолжительность осахаривания зависит от желаемого результата
(требуемой степени осахаривания). Инактивацию фермента и остановку процесса гидролиза производят нагреванием продукта при
80°С в течение 20 минут. Ферментный препарат амилоризин П10Х
и ферментный препарат амилоризин Г10Х имеют оптимальные
условия действия: рН 4,8-5,3 и температуру 53-55°С.
В данном случае важно сказать о применении глюкозоизомеразы. Фермент глюкозоизомераза (К.Ф. 5.3.1.18) катализирует реакцию изомеризации глюкозы во фруктозу, т.е. превращение альдозы
в кетоформу за счет внутримолекулярного процесса окисления одной части молекулы и соответствующего восстановления другой
части. Фермент обнаружен в растениях и продуцируется различными микроорганизмами.
На реакции ферментативной изомеризации основана технология
получения глюкозно-фруктозных сиропов из крахмала. Для получения глюкозно-фруктозных сиропов используют гидролизаты кукурузного крахмала с высоким содержанием крахмала (96-98 %), полученные с помощью ферментативного гидролиза. Процесс изомеризации под действием иммобилизованного (закрепленного на носителе) ферментного препарата глюкозоизомеразы длится в течение
109
20-24 часов (до содержания в гидролизате 42 % фруктозы и 52 %
глюкозы). В ходе процесса необходимо контролировать и поддерживать оптимальные условия для работы фермента: температуру
60°С, рН 7,0-8,5. Кроме того, для повышения активности фермента
и его стабильности в субстрат добавляют ионы магния и кобальта (в
виде растворимых солей), а также бисульфит для предупреждения
развития микрофлоры. Ионы кальция ингибируют фермент.
Иммобилизованные препараты глюкозоизомеразы характеризуются двумя важными показателями: период полужизни препарата,
т.е. время, за которое активность фермента снижается наполовину
(при оптимальных условиях проведения процесса), и продуктивность, т.е. количество килограммов глюкозы (на абсолютно сухое
вещество), изомеризованное 1 кг или 1 л ферментного препарата
при многократном использовании. Для большинства препаратов
период полужизни составляет 20-35 суток, продуктивность - до
2000 кг глюкозы на 1 кг фермента.
Полученные с помощью ферментативной изомеризации глюкозо-фруктозные сиропы обладают более высокой сладостью, по
своим свойствам они близки к инвертному сахару, благодаря чему
широко применяются в производстве продуктов детского и диетического питания, хлебобулочных изделий, напитков, кондитерских
изделий, мороженого и т.д.
Кондитерское производство. Кондитерские изделия в зависимости от вида сырья и типа технологического процесса подразделяют на две группы: мучные и сахаристые. К мучным изделиям относятся печенье, галеты, крекеры, вафли, пряники, кексы, пирожные, рулеты, торты; к сахаристым - какао-порошок, шоколад, конфеты, карамель, мармелад, пастила, ирис, драже, халва. Применение
ферментных препаратов в кондитерском производстве обусловлено,
с одной стороны, видом и свойствами сырья, с другой - технологической необходимостью и целесообразностью.
Комплексные ферментные препараты протеаз и амилаз, содержащие активные протеазы и α-амилазу (например, амилоризин
П10Х), применяют при производстве мучных кондитерских изделий
с целью ускорения процесса брожения и корректировки физических
свойств клейковины муки, изменения реологических свойств теста,
ускорения его «созревания».
При производстве мучных кондитерских изделий с использованием дрожжей, таких, как галеты, крекеры, кексы, целесообразно
110
применение комплексных препаратов с преобладанием протеолитического действия, но содержащих в своем составе α-амилазу. Совокупное действие этих ферментов обеспечивают дрожжи сбраживаемыми сахарами и низкомолекулярными азотистыми веществами.
Часть не использованных при брожении сахаров и азотистых веществ вступает в реакцию меланоидинообразования, благодаря чему галеты и крекеры приобретают интенсивную окраску и приятный аромат.
При производстве затяжного печенья с использованием химических разрыхлителей, когда много усилий направляется на расслабление клейковины, на протяжении длительного технологического
процесса наряду с механическим воздействием на белки клейковины целесообразно использование протеолитических ферментных
препаратов; α-амилаза, присутствующая в качестве сопутствующего
фермента как в грибных, так и бактериальных препаратах, не мешает их использованию.
В случае применения бактериальных протеолитических препаратов (например, протосубтилина Г10Х), содержащих в качестве
сопутствующего фермента α-амилазу, при производстве изделий,
подобных крекерам, галетам, печенью опасности излишней декстринизации не существует, т.к. фермент быстро инактивируется за
счет того, что эти тонкие изделия быстро прогреваются до высокой
температуры. При выработке кексов, а также бисквитного полуфабриката, выпекающихся в довольно толстом слое при невысокой
температуре, в случае необходимости применения комплексных
бактериальных препаратов следует осторожно подходить к их дозировке во избежание порчи мякиша. Необходимо также учитывать,
что усиленное механическое воздействие на кондитерское тесто
приводит к повышению атакуемости ферментами полимеров муки:
крахмала, белков, других веществ, усиливая тем самым эффект гидролиза.
Для заварных и сырцовых пряников наибольшее значение имеет
протеолиз, но наряду с потребностью в регулируемом расслаблении
теста важным является и сохранение свежести (мягкости) продукта.
Очевидно, что при производстве таких видов изделий целесообразно применение комплексных ферментных препаратов с преобладанием протеолитической активности.
При производстве бисквитного полуфабриката нужны комплексные ферментные препараты с умеренной активностью протео111
литических ферментов и невысокой α-амилазной (декстринирующей) способностью. При таком сочетании обеспечивается умеренное расслабление клейковины, способствующее лучшему подъему
теста при выпечке и образованию тонкопористой воздушной структуры готовых изделий. Образование декстринов, в свою очередь,
способствует сохранению их свежести.
Комплексные ферментные препараты, содержащие протеазы и
α-амилазу, используются для ускорения и облегчения обработки
теста при приготовлении слоеного полуфабриката с целью улучшения его эластичных свойств и предупреждения усадки при выпечке.
Кроме того, применение таких ферментных препаратов при производстве вафель позволяет оптимально снизить вязкость вафельного
теста, способствует получению тонких вафельных листов.
Препараты инвертазы, как уже отмечалось, получают из
дрожжей S. cerivisiae или S. carlsbergensis путем автолиза. Они
представляют собой суспензию спиртоосажденной инвертазы в 25
%-ом, 50 %-ом растворе глицерина или 70 %-ом растворе сорбита.
Оптимум рН действия препарата 4,5-5,5, что вполне приемлемо для
его использования в различных технологиях производства сахаристых изделий. Инвертаза применяется в кондитерской промышленности для производства отливных помадных корпусов конфет,
круглых помадных корпусов и жидких фруктовых начинок, таких,
как вишневый ликер. В каждом случае ее применение обусловлено
необходимостью получить полумягкую или жидкую консистенцию
при высоких концентрациях сахара (78 %), предотвращающих брожение. Ускорение или замедление действия инвертазы достигается
путем изменения концентрации вносимого препарата, количества
воды и температурного режима. При высокой температуре инвертаза инактивируется, и даже при температуре отливки (65°С) активность инвертазы снижается на 12 % в течение 30 минут и на 24
% в течение 60 минут. Некоторые сорта конфет, например, конфеты
с вишневым ликером, невозможно изготовить без инвертазы. В случае производства помадной массы из кокосовых орехов применение
инвертазы обусловлено и повышенной влагоудерживающей способностью фруктозы, образующейся под действием этого фермента.
Молочные ингредиенты широко применяются при производстве
кондитерских изделий, они в значительной мере обусловливают их
аромат и вкус. В усилении аромата молочного шоколада, карамели,
ириса, сливочного крема наряду с другими компонентами прини112
мают участие и свободные жирные кислоты, образующиеся под
действием липаз. При низких уровнях свободных жирных кислот
аромат изделий усиливается, но новые ароматы не образуются; при
средних - появляется аромат масла; при высоких - аромат сыра. Подобные ароматические вещества могут быть получены путем модификации масел или жиров с применением ферментных препаратов
липаз различного происхождения.
Молочное производство. В отношении использования липаз в
молочной промышленности интересны данные, опубликованные
М.С. Уманским (табл. 3.3). Они показывают липолитическую активность молокосвертывающих ферментных препаратов, которую
необходимо учитывать в технологии сыров.
Научно-практическое значение этих сведений велико. Один из
классиков отечественного молочного дела А.И. Чеботарев справедливо указывал: «… трудно представить, чтобы при резких изменениях остальные вещества сырной массы, жир не претерпевал изменений. Скорее всего следует полагать, что изменения эти количественно невелики, но образующиеся при разложении жира вещества
обладают ярко выраженными вкусовыми свойствами».
Таблица 3.3
Липолитическая активность сычужных препаратов
в зависимости от их сортности (10-9 мольс-1)
Ферментные препараты
Сычужный фермент ягнят
Сычужный фермент ягнят
Сычужный фермент ягнят
Сычужный фермент ягнят
Сычужный фермент телят
Сычужный фермент телят
Сычужный фермент телят
Сорт
молочные
I
II
III
I
II
III
Липолитическая активность
0,16+0,01
0,14+0,01
0,10+0,01
0,07+0,01
0,13+0,01
0,11+0,01
0,08+0,01
В качестве критерия оценки пригодности молокосвертывающих
препаратов для сыроделия можно использовать коэффициент липолиза (табл. 3.4). Он отражает корреляцию общей бальной органолептической оценки сыров с показателями липолиза и позволяет
установить вклад сопутствующих протеазам липолитических ферментов в формирование качества сыра.
Таблица 3.4
113
Коэффициент липолиза (КЛ) в промышленных
молокосвертывающих препаратах
Ферментные препараты
Сычужный фермент телят
Пепсин говяжий
Пепсин свиной
Пепсин куриный
Пепсин утиный
Фромаза
КЛ
1,0
1,2
1,7
3,3
1,5
1,1
Ферментные препараты
Реннилаза
Ренниномиин
Мейтореннет
Мукор
Мезентерин
Казоруссулин
КЛ
3,0
14,0
4,6
6,6
11,6
4,6
Традиционно в сыроделии применяют сычужный фермент. Его
получают из желудков молодых ягнят путем их специальной обработки. Промышленные препараты сычужного фермента, в основном, состоят из химозина с небольшой примесью пепсина. В связи с
тем, что ферментные препараты значительно различаются по биохимическим свойствам и особенностям взаимодействия с белковой
фазой молока, изучены их наиболее важные свойства: свертывающая и протеолитическая активность.
В последнее время в мире наметился устойчивый дефицит сычужного фермента. Это связано с увеличением производства сыров
и недостатком сырьевых ресурсов для получения фермента, поэтому в большинстве стран активизировались исследования по поиску
достойных заменителей сычужного фермента. В настоящее время
известно несколько десятков препаратов, предлагаемых в качестве
заменителей сычужного фермента. Перспективным направлением в
поиске заменителей сычужного фермента является комбинирование
ферментных препаратов в различных сочетаниях.
Производство плодово-ягодных соков, безалкогольных напитков
и вин. Применение ферментных препаратов при производстве плодово-ягодных соков, вин и безалкогольных напитков осуществляется с целью повышения выхода сока, осветления и стабилизации соков, безалкогольных напитков и вин, предотвращения окислительных процессов в соках и в изготовляемых из них продуктах, а также
для инверсии сахарозы при производстве безалкогольных напитков
и сиропов. При этом в одних случаях необходимо иметь набор ферментных препаратов, содержащих определенный комплекс ферментов, в других - требуются препараты индивидуальных ферментов.
Кроме того, ферментные препараты должны удовлетворять требованиям, предъявляемым технологией получения конкретного про114
дукта, не только по типу катализируемой реакции, но и в отношении условий их протекания.
В соответствии со спецификой сырья и целями применения
ферментные препараты можно разделить на шесть групп:
- препараты, предназначенные для получения неосветленных
соков, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность;
- препараты, предназначенные для получения осветленных соков, увеличивающие выход, повышающие экстрактивность и обеспечивающие полный гидролиз пектиновых и белковых веществ;
- препараты, мацерирующие плодово-ягодную ткань, повышающие выход и гомогенность соков с мякотью;
- препараты, предназначенные для получения осветленных плодово-ягодных виноматериалов, увеличивающие выход и повышающие экстрактивность виноматериалов;
- препараты, способствующие предотвращению окислительных
процессов и развитию аэробных микроорганизмов в соках, винах,
безалкогольных напитках;
- препараты, катализирующие инверсию сахарных сиропов при
производстве безалкогольных напитков и сиропов.
Основной биохимический процесс, протекающий в плодовоягодной мезге и соке при их обработке пектолитическими препаратами или при совместном применении термической и ферментативной обработки, - гидролиз пектиновых веществ. Но наряду с этим
происходят превращения белков, целлюлозы, гемицеллюлозы и
других компонентов сырья. Следовательно, ферментные препараты, используемые для получения полностью осветленного сока из
большинства плодов и ягод, должны содержать не только пектолитические ферменты, но и ферменты, гидролизующие другие коллоидные соединения, которые обусловливают опалесценцию соков и
нестабильность изготовляемых из них вин и напитков.
С целью максимального извлечения сока и облегчения его
осветления при гидролизе пектиновых веществ ягод и плодов необходимо учитывать свойства пектолитических ферментов самого сырья и вносимых препаратов. В зависимости от технологических
требований и химического состава сырья следует применять препараты с определенным комплексом ферментов (имеется в виду как
спектр ферментов (пектинэстераза, эндо-, экзополигалактуроназа и
др., а также сопутствующие ферменты), так и их соотношение).
115
Кроме того, необходимо путем подбора режима обработки сырья
создать оптимальные условия для действия ферментов.
В настоящее время в мире производится достаточно широкий
спектр пектолитических ферментных препаратов. Среди промышленных продуцентов пектолитических ферментов следует отметить
А. niger, A. wenti, A. oryzae, A. foetidus, P. expansum, P. italicum,
Rhizopus spp.
Некоторые плодово-ягодные соки и вина трудно осветляются и
часто мутнеют при хранении из-за наличия в них белковых соединений. Устранение белкового помутнения может быть осуществлено посредством применения термической обработки и различных
адсорбентов с последующей фильтрацией. Все эти методы обедняют химический состав продукта, ухудшают его качество, причем не
всегда достигается положительный результат. Для многих видов
сырья огромную роль в процессе осветления соков играют протеиназы, в связи с чем наличие кислых протеиназ наряду с ферментами
пектолитического комплекса обязательно.
При производстве плодово-ягодных соков с мякотью размельчение плодовой ткани осуществляется механическим путем. Большинство видов сырья перед механическим измельчением подвергается термической обработке. Термическая обработка способствует
кислотному гидролизу протопектина, в результате чего плодовая
ткань размягчается и легче поддается механическому измельчению.
Очевидно, что жесткие режимы обработки сырья ухудшают органолептические свойства и пищевую ценность продукта, поэтому соки
с мякотью часто содержат недостаточно тонко измельченную мякоть, негомогенную и расслаивающуюся при хранении. С позиции
устранения указанных недостатков и получения гомогенных соков с
мякотью, не подвергающихся расслаиванию, целесообразным является применение мацерирующих ферментных препаратов, расщепляющих протопектин, но не снижающих значительно вязкость сока.
Пектолитические ферментные препараты, применяемые для увеличения выхода и осветления соков, непригодны для производства
соков с мякотью, т.к. основным ферментом в них является эндополигалактуроназа, резко снижающая вязкость сока. Гемицеллюлаза и
целлюлаза способствуют получению однородной консистенции соков с мякотью.
Ферментный препарат глюкозооксидаза (в котором в качестве
обязательного компонента присутствует каталаза) применяется с
116
целью улучшения качества и стабилизации плодово-ягодных соков,
вин и безалкогольных напитков за счет удаления кислорода в результате реакции окисления глюкозы. Таким образом, этот препарат
способствует предотвращению окислительных процессов и микробиологической порчи под действием аэробных микроорганизмов.
Препарат обладает строгой специфичностью по отношению к глюкозе, его вносят после завершения технологических процессов с
целью стабилизации свойств продукта, полученного в процессе
производства. Желательно, чтобы препараты были термостабильны
и не инактивировались при температуре 65-70°С в течение 10-15
мин. Такие препараты можно было бы применять комплексно с легкими режимами пастеризации.
Ферментные препараты, применяемые в плодово-ягодном виноделии, должны сохранять активность в условиях определенного содержания алкоголя (до 10-12 %) и эффективно действовать при значениях рН, обусловленных химическим составом виноматериалов.
Ферментные препараты, применяемые при переработке плодово-ягодного сырья, могут оказывать влияние на цвет изготовляемого продукта. В связи с этим плодово-ягодное сырье следует разделить на две группы: слабоокрашенное сырье: яблоки, айва, белые
сорта слив и винограда и др.; окрашенное в красный цвет, т.е. содержащие вещества группы антоцианов: кизил, черника, ежевика,
малина, земляника, красные сорта винограда и слив и т.д.
При производстве продуктов, относящихся к первой группе, слабоокрашенных - следует применять ферментные препараты, не
содержащие окислительных ферментов, таких как полифенолоксидаза, пероксидаза, каталаза, аскорбатоксидаза, вызывающих потемнение продукта, а в ряде случаев - снижение органолептических
свойств и пищевой ценности. При переработке сырья второй группы - окрашенных в красный цвет, - недопустимо применение препаратов, содержащих ферменты, разрушающие антоцианы.
Препараты, предназначенные для переработки шиповника, черной смородины, ценность которых в значительной степени обусловлена наличием в плодах аскорбиновой кислоты, не должны содержать фермента аскорбатоксидазы, т.к. окисление аскорбиновой
кислоты под действием этого фермента снижает ценность получаемого продукта.
Производство спиртных напитков. Производство спиртных
напитков из крахмалсодержащего сырья практикуется почти во всех
117
странах мира. Основными видами сырья в Европе являются картофель и рожь, картофель и пшеница в России, кукуруза и рожь в
США, рис и бататы на Востоке, тапиока в тропических странах.
Крахмал, как основной компонент сухих веществ сырья, из которого образуется спирт, непосредственно дрожжами не сбраживается, поэтому его необходимо гидролизовать до сбраживаемых сахаров, для этого требуется применение ферментов.
Применяемый издавна зерновой солод, как источник амилолитических ферментов, обеспечивает достаточно глубокое осахаривание и выбраживание только за трое суток. Необходимо отметить,
что зерновой солод не только выполняет задачу гидролиза крахмала
до сбраживаемых сахаров, но и является источником легкоусвояемого азотистого питания для дрожжей, т. к. в процессе солодоращения, под действием протеиназ, в нем накапливается значительное
количество аминокислот (до 32 % от общего азота). Активность
протеиназ в процессе солодоращения возрастает примерно в 40 раз.
Зерновой солод обладает и цитолитической активностью, обеспечивая определенную степень гидролиза клеточных стенок растительного сырья и тем самым улучшая контакт крахмала с амилолитическими ферментными препаратами.
Таким образом, применяемый в спиртовом производстве зерновой солод выполняет три основные функции: осуществляет гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров; является источником азотистого питания для дрожжей и при осахаривании крахмалистого
сырья производит частичное разрушение клеточных стенок сырья.
Однако скорость осахаривания крахмала при использовании солода остается достаточно низкой, что затрудняет интенсификацию
процесса брожения. Применение ферментных препаратов микробного происхождения дает возможность значительно повысить концентрацию необходимых ферментов в среде и обеспечить глубокий
гидролиз крахмала за сравнительно короткий период.
Кроме стадии осахаривания ферментные препараты, обладающие сильной разжижающей активностью (α-амилаза), применяются
на стадии водно-тепловой обработки сырья с целью смягчить режим разваривания, снизить вязкость замесов и облегчить их дальнейшую транспортировку.
Применяя ферментные препараты на стадии приготовления сусла для дрожжегенерации, необходимо обеспечить интенсивный
118
гидролиз белков с целью обогащения ценным азотистым питанием
дрожжевого сусла.
Таким образом, для спиртового производства, перерабатывающего крахмалсодержащее сырье, необходимо применение ферментных препаратов с амилолитическим, протеолитическим и цитолитическим действием. При замене солода культурами микроорганизмов или препаратами ферментов необходимо, чтобы полученный
спирт обладал высокими дегустационными качествами и не содержал вредных примесей.
Пивоварение. При производстве пива по обычной технологической схеме необходимые ферментные системы для подготовки зернового сырья и перевода экстрактивных веществ в растворимое состояние на стадии затирания образуются при солодоращении.
Основными ферментами, образующимися в процессе солодоращения и имеющими наиболее существенное значение в технологии
пивоварения, являются: амилолитические ферменты, разжижающие
и осахаривающие крахмал; протеолитические ферменты, расщепляющие белки ячменя до пептидов различной молекулярной массы
и свободных аминокислот; цитолитические ферменты, гидролизующие некрахмальные полисахариды, растворяющие клеточные
стенки эндосперма зерна, благодаря чему облегчается доступ амилаз и протеаз к соответствующим субстратам.
Каждый из перечисленных процессов должен пройти с определенной глубиной, чтобы обеспечить нормальное протекание фильтрации затора, брожения сусла, осветление и фильтрацию пива, а
также создание определенных физико-химических свойств (пенообразование, прозрачность, стойкость при хранении) и вкусовых качеств готового продукта.
Применение ферментных препаратов микробного происхождения (амилоризин ПХ, П10Х, амилосубтилин Г10Х, Г20Х, протосубтилин Г10Х, цитороземин ПХ) с целью замены солода неосоложенным ячменем позволяет интенсифицировать процесс, избежать потерь ценных компонентов сырья на дыхание и образование проростка, в целом повысить рентабельность пивоваренного производства. Кроме отечественных препаратов, в настоящее время широко
используются ферментные препараты различных зарубежных фирм.
Предназначенные для замены ферментов солода ферментные препараты микробного происхождения должны по характеру своего
119
действия соответствовать ферментам солода и значительно превосходить их по активности.
В пивоварении используют ферменты, используемые для борьбы с холодной мутью. К образованию холодной мути в бутылочном
пиве приводит рост микроорганизмов; такое биологическое помутнение предотвращается пастеризацией пива или стерильной фильтрацией при заполнении бутылок в асептических условиях. Небиологическое помутнение пива может происходить при его продолжительном хранении; этот процесс ускоряется при действии света,
тепла, кислорода, в присутствии следов железа или меди, а также
при одновременном воздействии этих факторов. Состав мути зависит от преобладающего действия того или иного из этих факторов.
Основными составляющими холодной мути являются: белки - 40-76
%; танин -17-55 %; углеводы - 3-13 %.
Холодная муть состоит из очень тонкого осадка, который образуется при выдержке пива при температурах ниже 10°С. Для борьбы с холодной мутью могут быть использованы растительные ферменты: папаин, фицин, бромелаин, а также грибные (продуцируемая микроскопическими грибами рода Aspergillus, Penicillium, Mucor, Amylomyces) и бактериальные (продуцируемая В. subtilis) протеиназы. Но наиболее широко для этой цели применяется лишь папаин или комплексные препараты, включающие папаин и другие
протеазы, что объясняется относительно высокой термостабильностью препаратов папаина, сохраняющих свою активность после пастеризации.
Таким образом, существуют бесспорные доказательства эффективного использования ферментных препаратов в технологии продуктов питания.
Микроорганизмы как объект биотехнологии
Из более ста тысяч известных видов микроорганизмов в промышленности используют около 100 видов, к которым принадлежат
несколько тысяч штаммов.
Использование микроорганизмов и продуктов их синтеза с каждым годом непрерывно расширяется. Разнообразие областей применения и свойств продуктов микробиологического синтеза затрудняет нахождение общих закономерностей в способах их получения.
120
Так, культивирование микроорганизмов может осуществляться периодическим, полунепрерывным или непрерывными методами, в
аэробных или анаэробных условиях, что существенно влияет на
применяемые аппаратуру и технологические приемы. Принципиальные отличия связаны и с конечным объектом культивирования,
под которым можно понимать биомассу микроорганизмов либо
вторичных метаболитов, т.е. веществ, синтезируемых микроорганизмами (антибиотиков, ферментов, аминокислот). Это в конечном
итоге определяет условия культивирования, что учитывают напрямую или косвенно. Важно помнить, что необходимо выращивать
микроорганизмы в условиях строгой чистоты культуры, что связано
со стерилизацией как основной, так и вспомогательной аппаратуры,
а также всех используемых компонентов; культивирование микроорганизмов осуществляется в трехфазных системах «газ-жидкостьтвердое тело (клетки)» с меняющимися по ходу процесса реологическими свойствами, в связи с чем общепринятые зависимости для
расчетов гидродинамики массообмена в этих системах практически
не могут быть использованы (особую трудность представляет адаптация лабораторных и стендовых установок к промышленным
условиям); использование больших объемов воздуха как наиболее
экономичного источника кислорода продиктовано низкой его растворимостью в питательных средах и культуральных жидкостях;
микроорганизмы чувствительны к воздействию физико-химических
и механических факторов и низкая по сравнению с химическими
реакциями скорость процессов биосинтеза; многокомпонентные
питательные среды и культуральные жидкости способны к образованию стабильных пен; биохимические механизмы регуляции роста
микроорганизмов и биосинтез целевых продуктов отличается многообразием и сложностью; в ряде случаев целевые продукты нестабильны под воздействием внешних факторов.
Обычно можно выделить следующие периоды жизни микроорганизмов: скрытый (латентный, лагфаза), период логарифмического
роста и период ослабления и гибели. Скрытый период зависит от
природы и возраста первичных микроорганизмов, состава среды и
от того, насколько микроорганизмы приспособлены к жизнедеятельности в данной среде.
В период логарифмического роста обычно протекают процессы
ферментации. Предположим, что М - масса микроорганизмов в пересчете на сухое вещество на единицу объема среды; S - масса суб121
0
страта на единицу объема среды, а скорость роста м является
0
функцией М и S. Для периода логарифмического роста М пропорциональна м. Влияние среды на скорость роста является более
сложным. Это побудило Monod ввести параметр удельной скорости
роста:
0
u= М/М=dlnм/dt.
(3.11)
Если mм обозначает общую сухую массу микроорганизмов, а V объем среды в ферментере, то получаем:
0
u= m М/М.
(3.12)
В период логарифмического роста удельная скорость роста является постоянной, а продолжительность времени, необходимого
для увеличения количества микроорганизмов в два раза, составляет:
=ln2/u=0,693/u
(3.13)
При малых значениях S на рост микроорганизмов в значительной степени влияет концентрация субстрата. С увеличением S это
влияние ослабевает и параметр u стремится к асимптотическому
значению umax. Следовательно уравнение для удельной скорости
роста:
u= umax[S/(kS+S)]
(3.14)
Константа kS численно равна концентрации субстрата, при которой скорость роста равна половине максимальной скорости роста.
0
0
Скорость роста микроорганизмов при Мmax=umax М выражается
уравнением:
0
М= umax[S/(kS+S)] М.
(3.15)
Переход от плотности М к массе mM приводит к уравнению:
0
m М= umax[S/(kS+S)] mМ.
122
(3.16)
Модель Моно хорошо согласуется с экспериментальными результатами, отражающими рост большинства одноклеточных организмов в гомогенных средах. Приведенные формулы позволяют
учитывать колебания концентрации субстрата при постоянстве
условий окружающей среды (рН, температура, вторичный субстрат
и т.д.). Если эти условия изменяются во время процесса роста, то
появляются изменения и в umax и kS. Естественно, расчетные выражения необходимо модифицировать, если на скорость роста микроорганизмов влияет скорость диффузии субстрата, что имеет место,
например, при росте плесеней в процессе созревания некоторых
сортов сыра.
В зависимости от значений концентрации субстрата общую константу скорости kr можно определить, воспользовавшись одним из
следующих соотношений, характеризующих реакции ферментов:
- для низкой концентрации субстрата:
о
Х Р= krХS;
(3.17)
- средней концентрации субстрата:
о
Х Р= krХSХЕ;
(3.18)
- для высокой концентрации субстрата:
о
Х Р= krХi.
(3.19)
Зависимостями, определяющими скорость роста микроорганизмов, являются:
0
М= krS;
(3.20)
0
М= krSM;
(3.21)
0
М= krM.
(3.22)
Во всех этих случаях kr связана с температурой среды уравнением Аррениуса:
kr=ke-E/RT,
(3.23)
123
где E - энергия активации, отнесенная к 1 кмоль.
Температурную зависимость константы скорости при рассмотрении скорости роста микроорганизмов можно представить в форме
уравнения Аррениуса, при этом «моль» микроорганизмов - понятие
условное.
Логарифмируя уравнение Аррениуса, а затем дифференцируя
полученное выражение по температуре, получим:
dln kr/dT=E/RT12.
(3.24)
Если kr1 является константой скорости реакции при температуре среды T1 а kr2 - константой скорости при температуре T2, то интегрируя формулу (3.24), получаем:
ln
kr1 E T2 - T1
= (
).
kr2 R T1 - T2
(3.25)
Следовательно, влияние температуры на константу скорости
можно выразить через энергию активации. Численное значение E не
постоянно, но для реакций ферментов и роста микроорганизмов оно
обычно равно (3-12)107 Джкмоль-1.
Используют и другие экспериментальные методы получения
температурной зависимости константы скорости. Отношение констант скорости при повышении температуры среды на 10оС в научной литературе по биологии и биохимии обозначают Q10, а повышение температуры, необходимое для увеличения константы скорости в 10 раз, - 10.
Следует отметить, что уравнение Аррениуса и другие выражения температурной зависимости применимы только в нормальном
диапазоне изменения активности микроорганизма или фермента.
Этот диапазон ограничен минимальной температурой роста микроорганизмов или реакции ферментов, а сверху температурой начала
инактивации. За пределами этого диапазона влияние температуры
на константу скорости определяется другими факторами, например,
денатурацией белков.
Кинетика метаболизма определяется штаммом микроорганизмов, составом среды, степенью перемешивания и температурой
среды, в результате чего представление зависимостей в математической форме весьма затруднительно. Промышленные штаммы
должны расти на дешевых и доступных субстратах; обладать высо124
кой скоростью накопления биомассы и давать высокую продуктивность целевого продукта при экономичном потреблении питательного субстрата; проявлять направленную биосинтетическую активность при минимальном образовании побочных продуктов; быть
генетически однородными, стабильными в отношении продуктивности и требований к питательному субстрату и условиям культивирования; быть устойчивы к фаготипам и другой посторонней
микрофлоре; быть безвредными (не обладать патогенными свойствами). При этом желательно, чтобы продуценты были термофильными и ацидофильными (или алкалофильными), т.к. в этом
случае легче предохранить ферментированный субстрат от инвазии
посторонней микрофлорой. Целевой продукт биосинтеза должен
иметь хозяйственную ценность и должен легко выделяться из субстрата.
В промышленности применяют три группы штаммов: природные штаммы, улучшенные естественным или искусственным путем; штаммы, измененные в результате мутаций и штаммы, полученные генной (клеточной) инженерией. Сознательную селекцию
микроорганизмов проводят двумя путями: отбирают штаммы микроорганизмов, у которых существенно увеличена продуктивность,
либо генетически меняют программу биосинтеза необходимых веществ. Селекция микроорганизмов имеет свои особенности. В качестве исходного материала селекции у исследователей находится
особь клона, под которой понимают биологический объект, имеющий генетическую однообразность с исходной (материнской) клеткой, т.е. у большинства микроорганизмов один набор хромосом.
Однако при этом клон микроорганизмов быстро достигает большой
численности за счет естественных мутаций и превращается в популяцию - совокупность клеток с разными генотипами. У большинства микроорганизмов не выявлена способность к гибридизации
(половому размножению), то есть селекцию клеток можно вести
только вегетативным путем.
Благодаря тому, что микроорганизмы характеризуются быстрой
сменой поколений, возможности для отбора положительных экземпляров значительно больше. Однако при этом для оценки свойств
каждого клона требуется большая работа с использованием сложных биохимических и химических тестов, что делает процесс селекции исключительно трудоемким.
125
Для селекции используют музейные культуры (коллекционные
культуры), известные промышленные продуценты либо объекты,
выделенные из биологических субстратов.
В последнее время все большее распространение получает гибридизация как метод селекции в микробиологии, суть которой заключается в слиянии ядер микроорганизмов с образованием диплоидного ядра. Благодаря этому получена возможность получения
рекомбинантного гибрида, в котором объединена генетическая информация разных видов. Благодаря гибридизации получены возможности для объединения в одной клетке желаемых свойств двух
и более штаммов (видов); установлены возможности использования
рекомбинированных хромосом для появления новых комбинаций
ДНК в гибриде, что является причиной появления у него новых
(оригинальных) или усиления уже имеющихся свойств.
У популяций микроорганизмов есть существенный недостаток:
они подвержены обратному мутированию (реверсии), т.е. являются
нестабильными. В большинстве случаев в промышленных условиях
не удается обеспечить селективные преимущества мутантам, их
приходится регулярно клонировать и отбирать из популяции клеток
активные клоны.
Наиболее распространенным способом сохранения активности и
жизнеспособности штаммов при длительном хранении являются
периодические пересевы продуцента на свежие питательные среды.
Однако при этом не исключена возможность реверсии, которой
можно избежать консервированием.
К способам консервирования относятся замораживание (наиболее перспективный способ в атмосфере жидкого азота при минус
196оС). Обычно после 3-5-летнего хранения в таких условиях выживаемость микроорганизмов составляет 40-70 %, после 10-20летнего хранения - 10-20%. Доступным способом консервации является хранение культур под слоем минерального масла, которое
предохраняет субстрат от высыхания и ограничивает доступ атмосферного кислорода. Культуры грибов удобно хранить на естественно или принудительно высушенных питательных субстратах.
Все большее распространение приобретает лиофилизация, под
которой понимают процесс удаления воды при пониженном давлении из замороженного продукта, минуя жидкое состояние. Микробные культуры лиофилизируют при температуре минус 45-60оС в
течение 1-2 часа при остаточном атмосферном давлении 200-500 мм
126
ртутного столба. Для повышения выживаемости клеток перед лиофилизацией их обрабатывают в защитных средах (бычья или лошадиная сыворотки, 1 %-й раствор желатина), которые регулируют
осмотическое давление при лиофилизации. Для большинства культур с целью повышения выживаемости разработаны схемы по выводу из анабиоза (методики реактивации).
Сухой бактериальный концентрат вырабатывается из жидкого
препарата (с защитной средой) путем его сублимационной сушки.
Способ сублимационной сушки заключается в высушивании бактериального концентрата в замороженном состоянии при глубоком
вакууме. При этом содержание микробных клеток в 1 г сухого бактериального концентрата повышается до сотен миллиардов клеток,
а продолжительность хранения увеличивается до 4 месяцев.
Сухие бактериальные препараты вырабатывают из жидких путем их сушки методом распыления или сублимации. При производстве сухих заквасок с помощью распылительных сушилок активность чистых культур сохраняется до 3 месяцев. При сублимационном способе сушки сохраняемость живых клеток составляет 90
% в течение нескольких месяцев и даже лет.
Сухие бактериальные закваски и концентраты в отличие от
жидких являются наиболее транспортабельными и могут сохраняться в течение длительного времени. При использовании сухого
бактериального концентрата упрощается схема приготовления заквасок беспересадочным способом. Сухой бактериальный концентрат активизируется путем растворения его в стерилизованной питательной среде и выдержки в течение 1,5-3 часа при оптимальной
температуре развития бактериальных клеток. После активизации
бактериальный препарат направляется непосредственно в производство или для получения первичной производственной закваски.
В настоящее время за рубежом и у нас в стране ведутся активные поиски сред для производства заквасок. Составляющими компонентами таких сред являются дрожжевой экстракт, витамины,
аминокислоты, специальные буферные смеси (фосфаты). Дрожжевой экстракт производится на основе патоки и служит для освобождения низкомолекулярных протеинов пептидов и аминокислот. Добавление витаминов, аминокислот и микроэлементов служит для
оптимизации питательных качеств. Буферные смеси должны замедлять снижение уровня рН путем нейтрализации молочной кислоты,
образованной бактериями, т.к. слишком низкое значение рН может
127
привести к замедлению роста жизнеспособных бактерий. По сравнению с использованием обезжиренного молока, использование
сред имеет следующие преимущества: среды не содержат ингибиторов; среды негативно влияют на бактериофаги за счет связывания
фосфатами при нагреве свободных ионов кальция, которые необходимы большинству бактериофагов для проникновения в клетки бактерий. В настоящее время в производстве многих видов продуктов
распространение получили лиофилизированные закваски.
При прямом внесении лиофилизированных заквасок, в сравнении с подготовкой материнской и производственной заквасок, прослеживаются следующие преимущества: более простое использование; более низкий фагориск, поскольку отсутствует многоступенчатый процесс подготовки заквасок; снижен риск внесения посторонней микрофлоры; снижена возможность изменения состава штамма
(этот процесс может происходить при каждом новом выращивании
культуры в результате неточного соблюдения технологических режимов или мутации в сторону преимущества отдельных штаммов);
гарантия по обеспечению стабильного качества продукта.
Кроме того, нет необходимости в обслуживающем персонале,
строительстве заквасочных отделений и приобретении заквасочного оборудования. Одно из главных достоинств использования лиофилизированных культур - получение ферментированных продуктов высокого качества с большими сроками хранения.
Как было ранее отмечено, селекция является длительным и трудоемким процессом. Возможности селекции значительно расширяет
генная инженерия, благодаря которой возможно: изменять и интенсифицировать функции отдельных генов, т.е. улучшать эффективность штамма, не вводя новую генетическую информацию, а модифицируя его собственную; выделять определенный ген и получать
мутации, умножать число копий в клетке, интенсифицируя таким
образом синтез продукта; расширять спектр используемых субстратов, создавать штаммы, способные утилизировать ксенобиотики;
комбинировать гены микроорганизмов с генами других биологических объектов; конструировать новые гены.
Первый этап реализации принципов генной инженерии заключается в получении генов, содержащих необходимую информацию.
В дальнейшем подбирают носитель, на котором можно поместить
молекулу ДНК в биологический объект (в клетки хозяина) с последующим запуском наследственной информации введенного гена.
128
Как известно, в биотехнологии стоимость сырья в готовой продукции составляет 40-65 %. В микробиологической промышленности около 90 % сырья идет на производство этанола, 5 % - на производство хлебопекарных дрожжей, 1,7 % - на антибиотики.
Каждый вид микроорганизмов весьма избирателен к питательным веществам, а органическое сырье, за исключением лактозы,
сахарозы и крахмала без предварительной подготовки малопригодно для микробного синтеза. К основным источникам сырья следует
отнести крахмалы, мелассу, солодовое сусло, парафины, некоторые
фракции нефти, гидролизаты торфа и древесных опилок, пшеничные отруби. У большинства микробов жизнедеятельность зависит
от наличия азота, минеральных элементов и их солей, витаминов,
органических жирных кислот и аминокислот. Обязательными факторами роста являются вода и кислород (для аэробов).
Существует много видов продуктов, технология которых предусматривает использование различных видов микроорганизмов:
брожение, ферментативное созревание продуктов (пива, вина) приготовление теста. Особенно широко микроорганизмы используют в
производстве молочных продуктов. Под действием внутриклеточных ферментов в молоке происходят различные химические и биохимические изменения. После гибели клеток микроорганизмов их
ферментные системы продолжают изменять состав и свойства продуктов (ферментирование).
Использование микроорганизмов в качестве
регуляторов технологических процессов
Биотехнология использует большое количество видов микроорганизмов, которые имеют существенные различия по морфологии,
размерам клеток, отношению к кислороду, потребностям к ростовым факторам, по способности ассимилировать разные компоненты
субстрата.
В табл. 3.5 приведены некоторые группы микроорганизмов, используемые для промышленного биосинтеза химикатов.
В основу биотехнологии положена способность микроорганизмов синтезировать определенные продукты в количествах, превосходящих физиологические потребности (сверхсинтез). Микроорга129
низмы с такими свойствами были привлечены к хозяйственной деятельности человека тысячи лет назад.
Для производства ферментированных продуктов используют
специально подобранные и выращенные культуры микроорганизмов. Используя современные методы, возможно подобрать такие
штаммы микроорганизмов, которые обладают широким спектром
технологических свойств. Ассоциаты микроорганизмов могут быть
созданы искусственно или эволюционно (например, кефирные
грибки, которые представляют собой симбиоз дрожжей, молочнокислых и уксуснокислых бактерий).
Работы по выделению, идентификации и селекции микрофлоры
многих продуктов питания способствуют созданию национальных
коллекций и банков микроорганизмов, которые составляют основу
культурных микроорганизмов (заквасок). Следует отметить, что
выявлены определенные предпочтения в использовании отдельных
видов микроорганизмов в разных странах, что объясняется традициями в потребительских вкусах, сложившихся на протяжении многих лет. Закваски, полученные в лабораториях (на биофабриках),
являются основой для получения производственных или потребительских заквасок. Потребительские закваски подразделяют на материнские (первичные), промежуточные (вторичные) и производственные (третичные).
Таблица 3.5
Промышленный биосинтез веществ микроорганизмами
Продуцент
Продукт
Дрожжи
Saccharomyces cerevisiae
Этанол, глицерин
Kluyveromyces flagilis, Schizosaccha- Этанол
romyces pombe, Kl. lactis
Candida lipolytica
Лимонная, изолимонная, пировиноградная кислоты
Бактерии
Clostridium acetobutylicum
Ацетон, бутанол
Cl. thermohydrosulfuricum
Этанол, уксусная, молочная кислоты
Cl. thermosaccharolyticum
Глюкоза, ксилоза, этанол, уксусная
кислота
Lactobacillus delbrueckii
Молочная кислота
Микромицеты (плесневые грибы)
Aspergillus niger
Лимонная, щавелевая кислоты
130
As. oryzae
As. awamori
Yarrovia lipolytica
Ферментные препараты (амилаза)
Ферментные препараты (пектиназа)
Ферментные препараты (липаза)
По составу микрофлоры основные закваски, применяемые в
промышленности, подразделяют на три группы: бактериальные
(производство творога, сметаны, простокваши, кислосливочного
масла, сыров), грибковые (производство «рокфора» и «камамбера»)
и смешанные (кефир, кумыс).
К наиболее важным свойствам микроорганизмов относятся:
протеолитическая активность, ответственная за стабильность белковых структур; липолитическая и фосфолипазная активность; галактозидазная активность; способность к масштабному образованию диацетила, ацетоина, летучих жирных кислот; скорость и глубина гликолитического распада лактозы до молочной кислоты; способность к продуцированию диоксида углерода и других газов;
сорбция кислорода при метаболических реакциях; способность изменять развитие микроорганизмов группы кишечной палочки и
маслянокислых бактерий; способность к жизнедеятельности под
воздействием поваренной соли; резистентность к фаготипам.
По характеру сквашивания продукты условно делят на две
группы: полученные в результате только молочнокислого брожения
(простокваша, йогурт) и смешанного - молочнокислого и спиртового (кефир, кумыс).
При молочнокислом брожении на молочный сахар воздействует
фермент лактаза, выделяемый молочнокислыми бактериями. Процесс идет через ряд последовательных превращений: расщеплении
лактозы на глюкозу и галактозу, которые образуют пировиноградную кислоту, которая восстанавливаясь, образует молочную кислоту. Побочными продуктами данной реакции являются диацетил,
углекислота, низкомолекулярные жирные кислоты.
При смешанном брожении на лактозу воздействуют молочнокислые бактерии (образуют молочную кислоту) и дрожжи (расщепляют пировиноградную кислоту на уксусный альдегид и углекислый газ; из уксусного альдегида под действием реакции восстановления образуется этиловый спирт).
Молочнокислые бактерии по способности образовывать в качестве главного продукта молочную кислоту подразделяют на гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные
при сбраживании гексоз (глюкозы, фруктозы, маннозы и галакто131
зы), дисахаридов (лактозы, мальтозы, сахарозы) и полисахаридов
(декстринов и крахмала) образуют, главным образом, молочную
кислоту и незначительное количество фумаровой и янтарной кислот, этилового спирта, летучих кислот и углекислоты.
Гетероферментативные бактерии образуют значительно
большее количество уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа и других побочных продуктов, используя для этих целей
до 50 % сбраживаемых углеводов.
По технологии приготовления кефир - единственный кисломолочный напиток, вырабатываемый в промышленных условиях на
естественной закваске - грибках, которые представляют собой
стойкий симбиоз гетероферментативной микрофлоры - мезофильных молочнокислых и ароматообразующих стрептоккоков, мезофильных и термофильных молочнокислых палочек, уксуснокислых
бактерий и дрожжей.
Доказана важнейшая роль молочнокислой микрофлоры в обеспечении качества сыров. Она участвует в подготовке молока к переработке, активно влияет на свертывание молока, определяет уровень активной кислотности сырной массы, стимулирует физикохимические процессы при выработке сыра, сдерживает развитие
посторонней микрофлоры, влияет на формирование органолептических показателей продукта.
При выработке сыров основным источником молочнокислой
микрофлоры является бактериальная закваска (табл. 3.6). При разработке принципов селекции следует учитывать кислотообразующую способность штаммов, их протеолитическую активность, способность к гелеобразованию, характеристики получаемых сгустков,
отношение к температуре, способность к ароматообразованию и
взаимоотношения с другой микрофлорой.
Таблица 3.6
Свойства молочнокислых бактерий
Вид молочнокис- Способность к гелелых бактерий
образованию, мин.
Str. lactic
Str. diacetilactis
Str. cremoris
Str. paracitrovorus
Str. thermophilus
132
260-450
720-900
350-500
320-450
200-300
Кислотообразующая способность, °Т
95-115
80-105
105-120
100-115
100-140
Оптимальная
температура
роста, °С
25-32
28-32
22-30
28-32
40-45
L. lactis
L. helveticus
L. bulgaricus
L. acidophilus
L. plantarum
200-350
200-350
150-300
150-300
500-800
150-300
240-300
160-320
180-320
150-200
40-45
40-45
40-45
37-40
28-32
Доказано, что по свертывающей и кислотообразующей способности внутри одного вида молочнокислых бактерий существуют
штаммы, значительно различающиеся по конкретным показателям
отдельных свойств. При оптимальных температурах лучшей способностью к свертыванию молока обладают термофильные молочнокислые палочки (в среднем в два раза быстрее, чем при участии
микрофлоры мезофильных молочнокислых стрептококков).
Характерной особенностью молочнокислых бактерий является
присущая им протеолитическая активность. Наиболее ярко она выражена у палочковидных форм бактерий. Гидролиз белков молочнокислыми бактериями осуществляется с помощью внутриклеточных и фильтрующихся протеаз (эндоферментов и экзоферментов).
В производстве различных видов сыров кислотообразующая и
гелеобразующая способность молочнокислой микрофлоры является
одним из основных свойств, определяющих технологический процесс и качество готовых продуктов. Они влияют на глубину и степень молочнокислого брожения в системе, а также определяют продолжительность свертывания молока, реологические и синеретические свойства получаемого сгустка, его способность к дальнейшей обработке и физико-химические показатели.
Другим важным свойством заквасочных культур микроорганизмов является их липазная активность. Его достаточно подробно
изучал М.С. Уманский. В абсолютном большинстве экспериментов
с использованием различных синтетических триацилглицеринов, а
также эмульсий натуральных жиров и масел получены бесспорные
доказательства субстратной специфичности молочнокислых бактерий в отношении трибутирина и других низкомолекулярных триацилглицеринов, содержащих короткоцепочные кислоты. Способность к ферментации триацилглицеринов молочного жира проявляется с различной степенью выраженности как у отдельных видов,
так и у штаммов, но при обязательном накоплении бактериальной
биомассы и длительном контакте с субстратом (табл. 3.7). В
наибольшей степени липазная активность выражена у штаммов L.
helveticus (вариации от 14,6 до 9,2 моль/дм3). У штаммов L. lactis
133
она колебалась от 9,1 до 6,9, а у S. thermophilus от 8,3 до 3,3
моль/дм3.
Широко используют микроорганизмы в качестве стартовых
культур в технологии мясопродуктов. Исследования, проведенные в
начале ХХ в., показали, что частичное добавление к мясу сырья,
сброженного молочнокислой микрофлорой, способствует формированию лучшей консистенции конечного продукта и большей устойчивости его в хранении, т.е. введение в сырье большого количества
полезной микрофлоры в самом начале процесса, на старте, способствует развитию процесса созревания сразу же, а не по истечении
какого-то периода времени и обеспечивает выраженный положительный эффект. В результате сформировалась идея направленной
ферментации мяса стартовой микрофлорой.
Стартовые культуры - препараты, содержащие живые или
находящиеся в покое клетки микроорганизмов, развивающие в
ферментируемом субстрате желательную метаболическую деятельность. Как правило, но не обязательно, они растут (размножаются
делением) в данном субстрате.
Таблица 3.7
Липазная активность термофильных молочнокислых бактерий
Вид культуры и Липазная актив- Вид культуры и Липазная активность,
номер штамма ность, моль/дм3 номер штамма
моль/дм3
L. helveticus
S. thermophilus
Н
14,6+0,1
684
8,2+0,3
3044
14,5+0,2
44
8,2+0,1
К
13,1+0,1
Т
7,6+0,2
Т
12,9+0,3
67
7,4+0,1
Vill
12,1+0,6
628
7,3+0,3
5
12,0+0,5
1294
7,1+0,2
305
11,3+0,5
1254
6,6+0,2
3035
11,2+0,6
15
6,4+0,1
53
10,8+0,5
1524
6,4+0,1
1625
10,6+0,6
43
6,2+0,1
3039
10,1+0,4
1314
6,2+0,2
Ep
9,2+0,4
5524
6,2+0,2
L. lactis
1244
5,8+0,2
1740
9,1+0,1
1344
4,7+0,1
944
8,6+0,1
К
3,8+0,1
2954
7,6+0,4
М
3,7+0,1
134
3675
6,9+0,3
Л
3,2+0,1
Переход от спонтанной ферментации к направленному использованию микроорганизмов можно датировать 1940 г., когда в США
в качестве стартовых культур были запатентованы L. plantarum, L.
fermenti, L. brevis. и Дж. Паддоком запатентовано введение бактерий в сырокопченые колбасы. В 1955 г. первооткрывателем стартовых культур финским ученым Niinavara разработана научная теория
их практического использования. Странами, широко применяющими стартовые культуры, традиционно являются Испания, Италия,
Венгрия, Германия, США, Финляндия. На сегодняшний день можно
говорить о глобализации применения стартовых культур, что объясняется такими преимуществами, как надежность, быстрота и безопасность процесса.
В России такие продукты пока не получили должного распространения, имеющиеся технологии основаны на использовании
ферментных препаратов микроорганизмов. Вместе с тем, в концепции основных направлений развития науки и технологий мясной
промышленности, разработанной с учетом новейших разработок
отечественных и зарубежных ученых и специалистов в области переработки сырья, отмечается, что в настоящее время активно развивается направление исследований, связанных с положительным
воздействием микроорганизмов на качественные характеристики
мясопродуктов.
Источником для выделения типичных микроорганизмов мяса
могут служить различные объекты мясной промышленности, в которых в процессе производства формируется свойственная им микрофлора. К ним, в частности, относятся сырокопченые и сыровяленые колбасы традиционной технологии, национальные изделия,
свинокопчености длительного созревания и «старые» рассолы. В
результате многочисленных экспериментов и исследований ученым
удалось установить наиболее распространенные роды микроорганизмов, к которым относятся: Micrococaceae, Lactobacillus, Pediococcus. Внутри названных родов микроорганизмов типичными видами являются L. plantarum, L. fermenti, L. brevis, P. cerevisiae, P.
acidolactis, P. pentosaceus, M. caseolyticus, M. varians.
На некоторых субстратах могут расти плесневые грибы и
дрожжи, в связи с чем они также предлагаются к использованию в
качестве стартовых структур. В частности, это относится к грибам
135
родов Penicillum, Thamnidium, Elegans, Aspergillus, Cladosporium и
дрожжам рода Debaryomyces и Candida.
Наиболее характерным эффектом от использования молочнокислых микроорганизмов является повышение стабильности ферментированных продуктов в процессе хранения, что обусловлено
рядом факторов. Так, сбраживание сахаров гомоферментативными
и в меньшей степени гетероферментативными молочнокислыми
бактериями сопровождается накоплением молочной кислоты, что
рассматривается как первопричина последующих взаимосвязанных
превращений. Прямым следствием является снижение рН, которое
приводит к изменению состояния мышечных белков и их гидратационных свойств и, как следствие, снижению показателя активности воды. При рН ниже 5,4 подавляется развитие патогенных микроорганизмов, среди которых Salmonella, Cl. botulinum, Cl.
perfringens, S. aureus.
Важным фактором повышения микробиальной стабильности
рассматривается образование молочнокислыми микроорганизмами
бактериоцинов или естественных антибиотиков. Из типичных мясных молочнокислых микроорганизмов такие вещества способны
вырабатывать Pediococcus (педиоцин и педиоциноподобные бактериоцины).
В табл. 3.8 приведены сведения о технологических свойствах
микрофлоры.
Таблица 3.8
Технологическое воздействие полезной микрофлоры
Род микроорФерментативное
Технологический
ганизмов
действие
эффект
Lactobacillus Расщепление угле- Понижение рН, формирование
водов, образование плотной консистенции, образовамолочной кислоты ние окраски, повышение хранимоспособности, образование аромата
Micrococaceae Восстановление
Формирование окраски и повышенитрата, активность ние ее устойчивости, образование
каталазы, подкисле- запаха, стойкость в хранении
ние среды, гидролиз
белков
Дрожжи
Гидролиз белков и Формирование аромата и цвета
углеводов
Плесени
Гидролиз
белков, Появление аромата и предупрежде136
липидов и углеводов ние закала поверхности колбас
Определенное влияние на эффект консервирования оказывает
накопление в процессе ферментации перекиси водорода, чему благоприятствуют наличие кислорода и отсутствие у большинства молочнокислых микроорганизмов фермента каталазы. Вместе с тем,
перекиси могут вызвать и значительные негативные изменения, которые выражаются в самоингибировании молочнокислых микроорганизмов и угнетении кислотообразования, а также в искажении
цвета изделий и прогоркании жира в результате воздействия сильного окисляющего агента. Именно поэтому в общем случае каталазположительные культуры, вырабатывающие настоящие каталазы,
например, L. plantarum или псевдокаталазы, считаются более предпочтительными.
Большой интерес представляет изучение возможности использования бифидобактерий в качестве активаторов и регуляторов технологических процессов, а также стартовых культур в технологии
продуктов
питания.
Более
подробно
функциональнотехнологические свойства бифидобактерий рассматриваются в разделе о пробиотической микрофлоре.
Использование микроорганизмов в качестве
источников незаменимых нутриентов
Среди природных биологических объектов наиболее перспективным является использование микроорганизмов, которые в мире
живых существ не имеют себе равных по скорости производства
белка. В пищевой промышленности микроорганизмы используют в
качестве источника белка и витаминов. Наибольшие перспективы
для этих целей имеют не нативные культуры, а автолизаты и другие
системы, которые получены после плазмолиза, кислотного и ферментативного гидролиза микробных клеток. Полученные системы
добавляют в продукты на различных стадиях.
Опыт применения микроорганизмов для пищевых целей свидетельствует о том, что для производства наиболее подходящими являются три основные формы: цельная биомасса, частично очищенная биомасса, подвергнутая автолизу и гидролизу для разрушения
137
клеточных стенок и удаления нежелательных компонентов, белковые изоляты и концентраты.
К одной из наиболее важных проблем развития пищевой индустрии следует отнести проблему получения пищевого белка. В
настоящее время мировой дефицит белка по разным оценкам составляет около 10-15 млн. т в год. Особой проблемой является дефицит полноценного белка, отличающегося высокой биологической
ценностью. Не менее важной проблемой является профилактика
витаминной недостаточности в России и большинстве экономически развитых странах мира. Однако решить проблему белкового и
витаминного дефицита за счет интенсификации производства
обычных сельскохозяйственных продуктов в настоящее время не
представляется возможным.
В современной жизни, особенно в последние десятилетия эта
область науки получила бурное развитие, в т.ч. в результате крупномасштабного применения в пищевой промышленности очищенных ферментных препаратов и других пищевых добавок, источником которых являются бактерии, дрожжи, микроскопические грибы. Так, сроки удвоения белковой массы у некоторых представителей животных, растений и микроорганизмов следующие: крупный
рогатый скот - 5 лет, свиньи - 4 месяца, цыплята - 1 месяц, высшие
растения - 1-4 недели, бактерии и дрожжи - 1-6 часов. Исходя из
этого, использование белка одноклеточных в питании человека может быть экономически более выгодно по сравнению с его применением в качестве кормовой добавки.
Наиболее приемлемыми формами белковых продуктов микробного синтеза являются изоляты и концентраты белков. Их химический состав, согласно данным В.Г. Высоцкого, должен отвечать
определенным требованиям (табл. 3.9).
Таблица 3.9
Физико-химические показатели
изолятов и концентратов белков
Показатель
Изолят
Массовая доля влаги, %, не более
7
Содержание в пересчете на абсолютно сухое
вещество, % общего белка, не менее
90
нуклеиновых кислот, не более
2
липидов, не более
1
138
Концентрат
7
65
2
1
сырой клетчатки (остатки клеточных оболочек), не более
золы, не более
Содержание тяжелых и токсичных элементов, мг/кг продукта, не более:
свинца
ртути
кадмия
мышьяка
3
25
5
5
0,5
0,05
0,1
0,5
0,5
0,05
0,1
0,5
Среди микроорганизмов, используемых в питании человека,
дрожжи более других изучены с гигиенической точки зрения. Они
применяются с давних времен в народной медицине и лечебном питании как ценный поливитаминный и белковый комплекс. Остаточные пивные дрожжи получают после главного брожения и дображивания. Выход их составляет 0,5 % вырабатываемого пива. Эти
дрожжи обладают высокой пищевой ценностью, а организм человека усваивает свыше 90 % всех питательных веществ, содержащихся
в них. Стоимость пивных дрожжей, являющихся отходами пивоваренного производства, относительно низкая.
Наличие нормативной документации и фармакопейной статьи
(ФС 42-654/72) на производство и применение пивных дрожжей и
препаратов на их основе определяет показатели безопасности этого
продукта для человека. Питательная ценность остаточных пивных
дрожжей определяется, в первую очередь, их богатым витаминным
составом. Они превосходят хлебопекарные дрожжи и многие другие природные источники витаминов, а по содержанию витаминов
Е-комплекса приравниваются к печени крупного рогатого скота.
Всего в составе пивных дрожжей обнаружено 14 витаминов.
Н.И. Лузиной и В.М. Позняковским изучена витаминная ценность пивных дрожжей Sacchar. сarlsbergensis (II расса) в процессе
их технологического использования, определяемого числом генераций. Показано, что биомасса остаточных пивных дрожжей является
богатым источником витаминов группы В. Содержание тиамина
составляет на 100 г сухого вещества биомассы (34,0+1,63) мг, рибофлавина (4,1+0,15) мг, ниацина (56,5+3,89) мг. Согласно имеющейся нормативной документации, сухие пивные дрожжи содержат
белка не менее 48%, тиамина - не менее 10 мг в 100 г, рибофлавина
- не менее 3 мг в 100 г. Количество нуклеиновых кислот не превышает 5 % от сухого вещества.
139
Аминокислотный состав остаточных пивных дрожжей характеризуется относительно хорошей сбалансированностью незаменимых аминокислот. При добавлении цистеина он не уступает белкам
мяса, а также широко применяемым белковым препаратам молока и
сои. Содержание незаменимых аминокислот - А (г/100 г белка) и
химический скор - С (% относительной шкалы ФАО/ВОЗ) в различных продуктах приведены в табл. 3.10.
Применение нативных пивных дрожжей в питании человека не
обеспечивает ожидаемого физиологического эффекта - необходимо
предварительное разрушение их клеточной оболочки для экстракции биологически активных веществ. С этой целью используют автолиз, плазмолиз, кислотный и ферментативный гидролиз. При
производстве продуктов подготовленные дрожжи соединяют с основным продуктом, например, мясом при куттеровании.
Согласно многочисленным данным, употребление сухих
дрожжей в количестве до 15 г в день в рационе взрослого человека
не приводит к каким-либо нарушениям физиологических функций.
По мнению исследователей, условно опасный порог потребления
дрожжей находится на уровне 10 г дрожжевого белка или около 20
г сухих дрожжей, учитывая, что содержание нуклеиновых кислот в
пересчете на общий белок составляет около 20 %. Все это свидетельствует о необходимости разработки специфических методов
контроля гигиенической чистоты продуктов, выработанных с использованием микроорганизмов.
Таблица 3.10
Биологическая ценность некоторых продуктов
Аминокислота
Шкала
Говядина
ФАО/ВОЗ (мышечная
ткань)
Изолейцин
4,0 100 4,4 110
Лейцин
7,0 100 7,5 107
Лизин
5,5 100 8,1 147
Метионин + цистин 3,5 100 4,2 120
Фенилаланин + тирозин
6,0 100 7,8 130
Треонин
4,0 100 4,1 102
Триптофан
1,0 100 1,3 130
Валин
5,0 100 5,3 106
140
Дрожжи
пивные
сухие
4,5 112
7,5 107
10,6 193
1,3 37*
Казеинат Соевый
натрия
изолят
4,5
7,8
7,6
2,9
112
111
138
83*
4,4 110
7,8 111
5,6 102
2,1 60
7,5
4,8
1,1
5,9
9,1
3,8
1,4
6,0
152
95*
140
120
8,6
3,5
1,1
4,4
125
120
110
118
143
88*
110
88*
Общее количество
незаменимых аминокислот
36,0
42,7
43,2
43,1
37,5
__________
*
лимитирующая аминокислота
К недостаткам пивных дрожжей относится их специфическая
горечь, они крайне нестойки при хранении. С этой целью разработаны способы удаления горечи из дрожжей, которые успешно применяют на заводах для получения сухих очищенных пивных
дрожжей в качестве лечебного препарата. Сушат дрожжи на вальцовых или распылительных сушилках при режимах, позволяющих
получить сухие дрожжи без потери витаминов. Пивные дрожжи, по
сравнению с хлебопекарными, имеют специфические технологические свойства. В их составе содержится трипептид глютатион - физиологически активное вещество, активизирующее протеолитические ферменты и оказывающее дезагрегирующее действие на белковые вещества. В пивных дрожжах глютатиона содержится 0,860,89 % на сухое вещество от массы, в хлебопекарных - 0,65 %.
В последнее время популярность дрожжей в производстве БАВ
упала из-за присущего этим микроорганизмам высокого содержания в биомассе нуклеиновых кислот, а также их неспособности
усваивать полисахариды. Эти недостатки частично устраняются при
использовании, например, микроскопических грибов. Развитие этого направления связано с переходом на индустриальный, не сельскохозяйственный способ производства пищи, однако сопряжено с
глубокими медико-биологическими исследованиями, аспекты которых связаны с химической характеристикой и оценкой функционально-технологических свойств.
Наряду с апробированными в производстве продуктов микроорганизмами имеется ряд других, не менее интересных с этой точки
зрения белково-витаминных препаратов микробного синтеза. Микроорганизмы и препараты на их основе могут быть использованы в
производстве продуктов не только в качестве источника белка и
витаминов. Большое внимание уделяется применению бактериальных культур дрожжей и грибов в технологии производства мясных
изделий, в частности сыровяленых и сырокопченых колбас с целью
интенсификации производства.
141
Принципы биотехнологии положены в основу получения подсластителей (например, белок туматин, выделенный из растения
Thaumatococcus damelli и трансплантированный Escherichia coli в
3000 раз слаще сахарозы). Особый интерес представляет сладкие
дипептид аспартам, молекулу которого образуют две аминокислоты: фенилаланин и аспарагиновая кислота. Обе аминокислоты синтезированы микробиологическим путем.
В настоящее время стали развиваться следующие направления
использования микроорганизмов в производстве мясопродуктов:
получение ароматических и красящих веществ; улучшение технологических свойств сырья; создание высокоэффективных биодатчиков для анализа содержания компонентов фаршевых продуктов.
Использование микроорганизмов и ферментных препаратов для гидролиза лактозы
Государственная политика в области здорового питания предусматривает более широкое обеспечение населения продуктами диетического и лечебно-профилактического назначения. Это соответствует концепции оздоровления человека и предупреждения старения организма путем включения в рацион кисломолочных продуктов, сформулированной русским физиологом И.И. Мечниковым. Он
первый обратил внимание на антагонистические свойства микрофлоры кисломолочных продуктов по отношению к патогенной микрофлоре. По его мнению, молочнокислые бактерии являются антагонистами вредной микрофлоры, обитающей в желудочнокишечном тракте человека. При этом субстратом для развития молочнокислой микрофлоры является лактоза, которая трансформируется в молочную кислоту по гомоферментативному (гликолитическому) или гетероферментативному (пентозофосфатному) пути.
При производстве 1 т сыра образуется 9 т сыворотки и пахты. В
каждой тонне сыворотки содержится около 5 кг полноценного белка, витамины группы В, комплекс свободных аминокислот, важнейшие минеральные элементы. В 1 т сыворотки содержится около
50 кг молочного сахара - ценнейшего сырья для пищевой и микробиологической промышленности. Лактоза имеет низкую сладость,
но при действии на нее лактазы расщепляется на два моносахарида:
глюкозу и галактозу.
К продуктам функционального питания относятся и низколактозные молочные продукты, которые обеспечивают полноценное
142
питание людям с лактозной недостаточностью. По данным
FAO/WHO более 70 % населения в мире страдает от недостаточности кишечной лактазы, однако абсолютное неусвоение лактозы является большой редкостью. Лица с лактазной непереносимостью
(вызванной, главным образом, нарушением обмена веществ и аллергическими реакциями на организм человека) не способны полностью использовать энергию лактозы (30 % энергетической ценности цельного и около 60 % энергетической ценности обезжиренного
молока). Это особенно опасно в детском возрасте, поскольку потребность в энергии оказывается существенно неудовлетворенной,
и происходит использование белка не на специфические строительные цели организма, а как источника пополнения недостающей
энергии. Кроме того очевидным является тот факт, что ослабленные
вследствие стресса, сложной экологической обстановки и других
неблагоприятных факторов человеческие организмы легче усваивают продукты, подверженные биотехнологической обработке.
При отсутствии в организме лактазы нерасщепленная лактоза
достигает толстой кишки, где становится отличной средой для активного роста имеющейся микрофлоры. В результате ее метаболизма появляются желудочно-кишечные расстройства. В этой связи
исследования различных аспектов биотрансформации лактозы при
получении молочных продуктов специального назначения являются
актуальными.
Известно несколько способов удаления лактозы из молочных
продуктов: сбраживание молочнокислой микрофлорой до молочной
кислоты и других продуктов; разделение молока с освобождением
лактозы, затем вновь соединение компонентов; гидролиз лактозы
до глюкозы и галактозы (химическим методом, т.е. кислотным гидролизом; энзиматическим, т.е. с использованием свободных растворимых ферментов, находящихся в среде или иммобилизованных;
биологическим методом с использованием свободных или иммобилизованных клеток микроорганизмов и комбинированным - сочетание
методов
обработки
молока
иммобилизованной
галактозидазой и ультрафильтрацией). Применяют также методы
избирательного удаления лактозы из жидкого молока, например
диализом, и экстракция лактозы из сухих молочных продуктов.
В СССР интерес к гидролизу лактозы молочной сыворотки проявлен в 70-х годах ХХ века в Институте биохимии А.Н. Баха. Комплексные исследования по выделению -галактозидазы (-D143
галактозид-галактогидролаза К.Ф. 3.2.1.23) из наиболее активных ее
продуцентов грибов Curvularia inaequalis и дрожжей Saccharomyces
fragilis были проведены под руководством А.С. Тихомировой, которая внесла большой вклад в развитие технологии галактозидазных препаратов в нашей стране.
Источниками получения лактазы могут служить растения и животные (эмульсин розоцветных, миндальные орехи, люцерна, кофе,
пшеничные отруби, слизистая собак, овец, коз, крыс, баранов и быков). Однако применение лактазы растительного и животного происхождения затруднено вследствие ее незначительного содержания
в данных источниках, сложности извлечения и невозможности сознательного накопления в растительных и животных организмах.
Целесообразно использовать лактазу, продуцируемую микроорганизмами: из дрожжей Saccharomyces lactis, Saccharomyces fragilis,
Torulopsis versatilis, Torulopsis sphaerica, Candida pseudotropicalis, и
др.; из грибов Aspergillus niger, Aspergillus orizae, Aspergillus flavus
и др.; из бактерий Escherihia сoli, молочнокислых и др.
Смесь моносахаров при полном гидролизе лактозы в деминерализованном пермеате при температуре 25оС имеет 88 % растворимости и 70 % сладости сахарозы. Рациональным является степень
гидролиза не более 70-80 %, что обусловлено более высокими затратами большей степени гидролиза. При 80 %-ом гидролизе происходит увеличение сладости в 4,66 раза и растворимости в 2,73
раза по сравнению с негидролизованной лактозой.
Существует два основных метода гидролиза лактозы: кислотный и ферментативный. Для получения оптимальных результатов
необходимо соблюдать следующие условия: гидролизуемое сырье
должно иметь хорошее санитарно-гигиеническое состояние, что
позволяет обрабатывать его как в свежем, так и пастеризованном
виде; величина рН во время процесса должна быть постоянной и
зависеть от свойств используемого фермента в случае его применения; с целью более полного гидролиза необходимо регулировать
гидродинамические параметры процесса.
Кислотный метод, используемый для гидролиза лактозы, прост
и не требует использования дорогостоящего ферментного препарата. Он характеризуется жесткими условиями: низкими значениями
рН (1-2) и высокими температурами (80-150°С). Кислотный гидролиз проводят либо в растворе, содержащем свободную кислоту, либо
с использованием кислой катионообменной смолы. Перед проведе144
нием гидролиза из сыворотки удаляют белки и проводят деминерализацию. Этот тип гидролиза характеризуется возникновением побочных продуктов, придающих раствору кремовую окраску. Продукты,
выработанные с применением этого процесса, являются кислыми и
перед использованием необходима их нейтрализация.
На основании исследований гидролитического действия галактозидазы из Klyveromyces fragilis И.С. Хамагаевой и М.Б. Даниловым установлены рациональные параметры использования
фермента: рН от 6,7 до 6,9; температура 37оС, концентрация фермента 2 Е/мл в течение 1,5-2,0 часов. Показано, что реакции гидролиза и трансгликозилирования взаимосвязаны, с повышением гидролитической активности -галактозидазы в молоке усиливается ее
трансгликозилирующее действие. При этом отмечена активизация
роста бифидобактерий в субстратах, что связано с появлением кроме глюкозы и галактозы, олигосахаров (главным образом, аллолактозы, индуцирующей биосинтез собственной -галактозидазы у бифидобактерий).
Известны биохимические свойства препарата «Максилакт», полученного в Нидерландах фирмой Gist-Brocades из дрожжей K. lactis. Изучали влияние на процесс гидролиза температуры, рН среды,
концентрации фермента и массовой доли лактозы (табл. 3.12). Анализ полученных данных позволил получить рациональные параметры гидролиза.
Таблица 3.12
Степень гидролиза лактозы препаратом «Максилакт»
Температура, оС
Степень гидролиза (%) после, выдержки, ч
2
3
4
5
10
15
25
30
60
60
72
87
90
58
79
86
94
1
6
38
Во ВНИИМС под руководством Ю.Я. Свириденко исследованы
свойства фермента, полученного НПО «Биотехнология» из культуры гриба Penicillium canescens. Фермент лактоканесцин (активность
1000 ед/г) является кислой -галактозидазой, гидролизующей лактозу молочной сыворотки в диапазоне рН от 2,5 до 6,5 с максимумом активности при рН 4,0-5,0. Температурный оптимум активности фермента 50оС, при температуре гидролиза вышеуказанной
145
начинает инактивироваться. Известны протеолитические свойства
этого препарата в отношении сывороточных белков.
Биохимические свойства лактоканесцина во многом определяются глубиной гидролиза лактозы: в сыворотке с массовой долей
сухих веществ 20 % глубина гидролиза не изменяется при соотношении «фермент - субстрат» и резко снижается при более высокой
концентрации сухих веществ.
В этой же работе показаны закономерности формирования сиропов с гидролизованной лактозой из сыворотки, подвергнутой
электродиализу. Автор успешно совмещал ферментативный гидролиз и деминерализацию, целью которой являлось сокращение продолжительности процесса и снижение потерь сырья. Совмещение
технологических операций привело к сокращению периода полураспада лактозы в два раза (с 7,1 часа до 3,7 часа). При общей продолжительности совмещенного технологического процесса 5 часов
обеспечивается глубина гидролиза лактозы более 50 % и степень
деминерализации сыворотки не ниже 90%.
Установленные закономерности являются теоретической основой технологии производства сыворотки сгущенной деминерализованной и сыворотки сгущенной деминерализованной гидролизованной, которая используется для приготовления сиропов с гидролизованной лактозой.
Возможным направлением биотехнологической переработки
молочной сыворотки является ее использование в производстве алкогольных напитков путем сбраживания лактозы до этилового
спирта с помощью специальных заквасок, поскольку лактоза не
сбраживается пивными дрожжами. В связи с этим изучена возможность сбраживания продуктов ферментативного гидролиза лактозы
иммобилизованными в криогель поливинилового спирта дрожжами
Saccharomyces cerevisiae непрерывным способом (табл. 3.13). В качестве субстрата использовали творожную сыворотку с содержанием сухих веществ 20 %, степенью гидролиза 50 % и содержанием
глюкозы 6 %.
Таблица 3.13
Эффективность обработки сыворотки
дрожжами (по Ю.Я. Свириденко)
Вид дрожжевых кле146
Концентрация Выход этанола Интегральная продукэтанола в сыво- от теоретиче- тивность, г этанола / г
ток
Свободные
Иммобилизованные
ротке, г/л
18+2
ского, %
70+2
дрожжей
10+2
25+2
90+2
116+8
В отличие от кислотного гидролиза при ферментации лактазами
возможно их ингибирование конечным продуктом. Этот принцип
положен в основу подбора концентрации фермента: чем больше
конечных продуктов реакции требуется получить, тем больше его
необходимо внести.
Как научное направление, биотехнология гидролиза лактозы в
отечественной молочной промышленности находится в стадии становления, потому что большинство ферментных препаратов, используемых для этих целей, являются зарубежными. В развитых
капиталистических странах достигнутые успехи являются более
значительными, однако по сравнению с другими направлениями
развития индустрии не являются столь же ощутимыми. В Канаде,
например, первый продукт подобного типа выпущен лишь в 1987 г.
Несколько лучше обстоит дело в Финляндии. В качестве примера
можно привести фирму Valio, которая выпускает широкий ассортимент продуктов с гидролизованной лактозой (молоко, кисломолочные продукты, сыры, мороженое, творог). В США производят питьевое молоко, сыр «коттедж», йогурты, продукты для детского питания под торговой маркой «Lact Aid», в Японии (фирма Snow Brend
Milk Product Co. Ltd) - питьевое молоко, сухие молочные продукты,
в т.ч. для детского и диетического питания, в Нидерландах (марка
Lactalac) - сухое обезжиренное и цельное молоко, а также сыворотка и заменитель женского молока «Vita-Nova», в Италии - стерилизованное молоко «Latte accadi», в Великобритании - йогуртные продукты марки «Yogglace».
В России развиваются следующие направления создания продуктов с гидролизованной лактозой: пастеризованные молочные
продукты и мороженое с гидролизованной лактозой для местных
рынков сбыта в районах с плохой экологией или для ослабленных
людей, а также для лиц, страдающих плохим усвоением лактозы;
стерилизованные молочные продукты (в частности, УВТ-молоко),
однако высокая реакционная способность групп -СНО и высвобождение более чем 1,6 мкмоль свободных аминогрупп в мл в определенных условиях может привести к желированию продукта; высу147
шенные молочные продукты повышенной гигроскопичности (возможно сухое смешивание фермента и высушенного молока); сиропы гидролизованной лактозы в кондитерской и хлебопекарной промышленности в качестве улучшителей.
Экономически оправданным является использование сиропа из
гидролизованной лактозы, полученной из сыворотки или пермеата
на заводах, производящих кисломолочные продукты в значительных объемах, достаточных для получения 5-10 т 60 %-го сиропа
гидролизованной лактозы в сутки. В данном случае сдерживающими факторами использования данных технологий являются незначительный выпуск вторичных молочных ресурсов с высоким содержанием лактозы на указанных предприятиях, а также капитальными вложениями в оборудование по осветлению, деминерализации, депротеинизации и концентрирования сыворотки, поскольку
производительность отечественных установок при выработке деминерализованных сиропов не превышает двух тонн в час.
Сгладить отмеченные недостатки возможно за счет иммобилизации ферментных систем, причем стоимость ферментов в общей
структуре издержек на сиропы гидролизованной лактозы не превышают 20-30%. Метод иммобилизации является непрерывным и более эффективным, чем периодическая обработка. Однако его использование налажено лишь в некоторых развитых странах (например, Сorning Glass (Великобритания) и Valio (Финляндия)).
Медико-биологические аспекты биотехнологии
В Федеральном Законе «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» № 52-ФЗ от 30.03.99 предусматривается, что
пищевые продукты, пищевые добавки, продовольственное сырье, а
также контактирующие с ними материалы и изделия в процессе их
производства, хранения, транспортировки и реализации должны
соответствовать санитарным правилам. Пункт первый статьи 43-й
Закона определяет следующие объекты необходимой государственной регистрации веществ и продукции:
- впервые внедряемые в производство и ранее не использовавшиеся химические, биологические вещества и изготовленные на их
основе препараты, потенциально опасные для человека;
148
- отдельные виды продукции, в т.ч. числе пищевые продукты,
впервые ввозимые на территорию Российской Федерации.
Процедура государственной регистрации включает: оценку
опасных для человека и среды его обитания веществ и отдельных
видов продукции; установление гигиенических и иных нормативов
содержания веществ, отдельных компонентов продукции в среде
обитания; разработку защитных мер по предотвращению вредного
воздействия веществ и отдельных видов продукции на человека и
среду его обитания, в т.ч. условий утилизации и уничтожения.
Медико-биологические аспекты биотехнологии в производстве
продуктов питания должны предусматривать разработку нормативной документации на производство биомассы микроорганизмов или
препаратов на их основе. Это обеспечит необходимый уровень
стандартизации исходного сырья, а также химического состава и
функциональных свойств готовых микробных препаратов.
Под безопасностью пищевого продукта понимают состояние
обоснованной уверенности в том, что пищевые продукты при
обычном их использовании не являются вредными и не предоставляют опасности для здоровья нынешнего и будущих поколений.
Безопасность любого продукта - главный аргумент возможности его
использования в производстве продуктов, а также основание для
изучение его биологической ценности и усвояемости. Цель этих
исследований заключается в достоверной оценке безопасности и
полноценности новых аналогов традиционных продуктов.
В Институте питания РАМН разработаны соответствующие методические подходы и медико-биологические критерии оценки качества продуктов, полученных с использованием принципов и приемов биотехнологии, в том числе - продуктов или компонентов пищи, полученных из генетически модифицированных источников.
Отметим, что Федеральный Закон «О качестве и безопасности пищевых продуктов» № 29-ФЗ от 02.01.2000 не выделяет пищевые
продукты и продовольственное сырье, полученные из генетически
модифицированных источников, в самостоятельную группу, требующую индивидуального подхода к оценке качества и безопасности
для здоровья человека.
Ключевым моментом является детальное изучение химического
состава новой пищевой продукции, которое должно включать как
показатели пищевой ценности, так и санитарно-химические показатели безопасности. Поскольку продукты, полученные из новых не149
традиционных источников или с использованием новых технологий, могут содержать неизвестные компоненты, возникает необходимость проведения токсикологических исследований на лабораторных животных: включение в их рацион нового продукта в максимально возможном количестве, с изучением интегральных показателей состояния животных, биохимических показателей крови,
мочи и внутренних органов, гематологических показателей периферической крови, морфологических исследований органов, а также с
изучением иммунного статуса организма. При проведении таких
экспериментов необходимо соблюдение сбалансированности рационов или использование, кроме опытной, двух контрольных групп
животных: первой группе дают обычный для данного вида животных рацион, второй - рацион, содержащий продукт, полученный
традиционным способом, аналогичный тестируемому и в том же
количестве.
Оценка пищевой и биологической ценности продуктов, выработанных с применением биомассы микроорганизмов и препаратов на
их основе, должна предусматривать наряду с расчетом содержания
пищевых веществ экспериментальные исследования усвояемости на
животных с последующим испытанием продукта на людях с их
добровольного согласия. На основании результатов всех проведенных исследований рассматривается вопрос о регистрации и разрешении широкого использования продукта или компонента пищи.
Производство продуктов биотехнологии связано, как правило, с
применением специальных приемов обработки биомассы: применение кислот, щелочей, высоких температур, давления и т.д. Это приводит к разрушению или появлению недоступных пищевых веществ. В этой связи возникает необходимость в определении пищевой и биологической ценности продукции, а также их усвояемости
и, кроме того, поиска новых щадящих технологий производства.
Исходя из этого, можно отметить преимущество использования
цельной биомассы микроорганизмов в технологии производства
продуктов при условии доказательства безвредности комбинированного продукта. Следует также учитывать степень доступности и
величину усвояемости нутриентов на фоне реального рациона человека, а также учитывать потребительские достоинства и экономические аспекты его производства.
Продукты, выработанные с использованием микроорганизмов и
ферментных препаратов, должны пройти всестороннюю оценку для
150
выявления канцерогенного, мутагенного, терратогенного и эмбриотропного действия. Из таких продуктов должны быть удалены вещества, обладающие антигенным и аллергизирующим эффектами,
необходима их стерильность, гарантирующая отсутствие живых
клеток патогенной микрофлоры.
Изучение безвредности биомассы микроорганизмов и препаратов на их основе проводят на лабораторных животных в несколько
этапов. На первом этапе исследуют возможность острого токсического действия - вводят в корм животным большое количество продуктов микробного синтеза (в 1,5-2,0 раза превышающее норму).
Такой подход позволяет выявить токсикологическую направленность, определить характер возможной патологии и органымишени. Для изучения кумулятивных и отдаленных эффектов является проведение хронического эксперимента (до двух лет) с различным уровнем введения в корм животных исследуемых образцов.
У людей и некоторых приматов, в отличие от других млекопитающих, отсутствует фермент уратоксидаза. Он метаболизирует
продукт деградации нуклеиновых кислот - мочевую кислоту в растворимое соединение - алантоин, которое выводится из организма.
При высоком содержании в пище нуклеиновых кислот может
наблюдаться нарушение пуринового обмена, в частности, накопление уратов и мочевой кислоты. Последняя откладывается в виде
солей в тканях организма и вызывает ряд нежелательных изменений. В связи с этим нельзя рекомендовать потребление большого
количества пищевых продуктов, содержащих нуклеиновые кислоты. Потребление нуклеиновых кислот с пищей, согласно данным
А.А. Покровского, не должно превышать 2 г в день.
Контрольные вопросы и задания
1. Что изучает биотехнология?
2. Приведите классификацию этапов становления биотехнологии.
3. Что такое фермент? На какие группы подразделяются ферменты?
4. Чем фермент отличается от ферментного препарата?
5. От каких факторов зависит активность фермента?
6. Чем отличаются ферментативные реакции нулевого и первого порядков?
7. От каких факторов зависит константа Микаэлиса-Ментена?
8. Для чего используют иммобилизацию ферментов?
9. Какое уравнение используют для описания кинетики роста микроорганизмов?
151
10. От каких факторов зависит интенсивность развития бактерий?
11. Чем отличаются белковые изоляты и концентраты?
12. Какой фермент используют для регулирования концентрации лактозы в
молоке? Какие продукты гидролиза при этом образуются?
13. Приведите примеры прикладного использования ферментных препаратов в технологии продуктов питания.
14. Приведите примеры прикладного использования микроорганизмов в
технологии продуктов питания.
15. Назовите микроорганизмы-продуценты основных пищевых веществ.
16. Оцените перспективы развития биотехнологии.
17. Раскройте основные положения Федерального Закона «О качестве и
безопасности пищевых продуктов».
18. Как проводят оценку безопасности новых видов продуктов питания?
19. Как получают трансгенные продукты питания?
Глава четвертая
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
КОНСЕРВИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ
Общие вопросы консервированния
пищевых продуктов
Известно, что большинство пищевых продуктов потребляется в
свежем виде. Однако, как правило, они не могут длительно храниться в нативном состоянии, при этом производство многих продуктов носит сезонный и региональный характер. Для более равномерного распределения продуктов питания между регионами, а
также по сезонам года сырье и готовую продукцию подвергают
консервированию. При этом главной целью процесса консервирования является перевод нестойкого сырья в пищевые продукты, отличающиеся достаточной степенью устойчивости. Консервирование (от лат. consirvare - сохранять, хранить) - специальная обработка пищевых продуктов для увеличения продолжительности их
хранения. Впервые консервированные продукты получены при использовании естественных (природных) процессов. К ним можно
отнести, например, производство сыра (если рассмотреть с позиции
консервирования белков молока). Давно известны такие способы
консервирования, как, например, копчение, соление, брожение. Все
152
методы консервирования подразделяют на физические, физикохимические, биохимические и комбинированные.
Использование консервирования для сохранения пищевых продуктов от порчи было известно на ранних стадиях развития человечества, когда оно сталкивалось с необходимостью продлить использование добытых или произведенных продуктов питания (мяса, рыбы, молока, плодов). Так появились простейшие способы консервирования пищевых продуктов: сушка, засолка, квашение, охлаждение, которые сохранились до нашего времени. И только в начале
XIX в. появились консервы в современном понимание этого слова,
т.е. продукты, укупоренные в герметичную тару и подвергнутые
высокотемпературной обработке (стерилизации). Впервые этот метод предложил Николай Аппер (1810 г.)
Производство консервов имеет большое значение для населения
и народного хозяйства практически любой страны. Консервированные продукты позволяют в значительной степени сократить затраты
труда и времени на приготовление пищи в домашних условиях,
обеспечить круглогодичное бесперебойное питание, а также создавать текущие, сезонные и страховые запасы. Современные технологии переработки и консервирования пищевых продуктов, использование подходящей тары и транспорта позволяют уменьшить разницу в степени удовлетворения потребностей населения различных
регионов в пищевых продуктах и обеспечить равномерное снабжение по качеству и количеству продуктами питания.
Сдерживающими факторами устойчивого хранения большинства пищевых продуктов являются ферментные системы микрофлоры (микробиальная порча) и нативные ферменты самих продуктов
(созревание мяса при автолизе, появление прогорклого вкуса у молока, богатого липазами).
Попадая в биологический материал, микроорганизмы начинают
размножаться. При этом они потребляют питательные вещества с
образованием различных соединений, в т.ч. - ядовитых. Типичным
примером микробиальной порчи является сбраживание плесенями и
дрожжами сахаров.
С6Н12О6 2СО2 + 2С2Н5ОН + 2820 кДж
глюкоза углекислый этиловый
газ
спирт
(4.1)
153
Приведенное уравнение показывает, что сахар превращается в
спирт, который фактически является ядом для растительной клетки,
а углекислый газ рассеивается. При этом ухудшаются пищевые и
технологические свойства сырья. С другой стороны, процесс дыхания растительного сырья протекает без участия микроорганизмов.
Если учесть, что биологическое сырье не способно к потреблению
питательных веществ извне, то естественный биохимический процесс дыхания, связанный с потреблением кислорода из атмосферы,
приводит исключительно к расходованию пищевых веществ самого
сырья с потерей его массы. Дополнительное негативное влияние на
эти факторы оказывают воздух, температура, свет. В зависимости
от характера сырья, причин его порчи и продукта, который необходимо получить, применяются соответствующие технологические
процессы, а также принципы и методы консервирования.
Любой способ консервирования включает в себя ряд отдельных
технологических процессов, вид и параметры которых зависят от
состава и свойств сырья, степени готовности консервов к употреблению, которая определяется характером технологической обработки: транспортированием, разделением на фракции, теплообменными операциями, смешиванием, диспергированием, дезинтегрированием, формованием, покрытием, упаковкой, фасовкой, укупоркой,
этикетированием, затариванием.
Порча продуктов питания обусловлена, главным образом, действием ферментных систем микроорганизмов и собственного продуктов питания. Растительные и животные ткани биологических
объектов являются хорошей питательной средой для развития микробов. Гниение, прокисание, брожение являются микробиологическими процессами. Считают, что проблема консервирования является биологической. Для того чтобы предотвратить биологические
материалы от порчи, необходимо создать такие условия их хранения либо так изменить их свойства, чтобы попавшие в них микробы
были уничтожены или не могли развиваться и чтобы ферменты, регулирующие биохимические процессы, были инактивированны.
В основу всех способов предохранения биологической ткани от
порчи положена биологическая особенность сырья, которая связана
с защищенностью от всякого рода внешних воздействий рядом механических, физико-химических и химических барьеров. Однако
практически все сырье уже лишено от поступления пищевых веществ, поэтому протекающие в таком сырье биохимические про154
цессы приводят только к потреблению, расходованию ценных питательных веществ, и таким образом запасы этих веществ истощаются
без возобновления. При этом масса сырья уменьшается, теряется
его пищевая ценность. Следовательно, проблема консервирования
сводится к регулированию жизненных процессов, лежащих в основе
порчи, т.е. имеются ввиду биологические процессы, протекающие в
сырье, так и жизнедеятельность микробов. Изменяя состав и условия биологической среды, воздействуя на сырье или на микроорганизмы теми или иными физическими и химическими факторами,
можно добиться уничтожения или подавления жизни возбудителя
порчи (микроорганизма) и сохранения жизни сырья. Можно прекратить все жизненные процессы в сырье, не разрушая его пищевых
качеств, и, устранив возбудителя порчи, сохранить сырье как пищевой продукт.
Исходя из этого, все способы консервирования по принципу
воздействия на жизнь возбудителя или объекта порчи подразделяют
на три группы (классификация профессора Я.Я. Никитинского).
1. Принцип биоза - поддержание жизненных процессов в сырье и
использование его естественного иммунитета - невосприимчивости
к действию микроорганизмов. Биоз представляет собой систему
мер, связанных с управлением нормальными процессами в сырье и
некоторое ограничение их интенсивности без специальной обработки (рациональное складирование). Биоз не является в обычном понимании методом консервирования, а лишь системой мер, обеспечивающей кратковременное сохранение, главным образом, растительных объектов в свежем виде. В консервном производстве принцип биоза используется как способ кратковременного сохранения
сырья на первом этапе технологического процесса в основном на
сырьевых площадках до переработки.
Прежде всего, следят за тем, чтобы при укладке сырья на нем не
было физических повреждений, удаляют экземпляры с механическими дефектами, поскольку в поврежденном участке нарушены
естественные барьеры иммунитета, а процесс порчи, начавшийся на
поврежденном участке одного вещества, может перейти на другие
образцы и даже поразить все хранилище.
Интенсивность процессов дыхания сильно возрастает с повышением температуры, поэтому нельзя хранить объекты под открытым небом или в укрытии, куда проникают прямые солнечные лучи
или в которых кровля и стены не обладают изоляционными по от155
ношению к теплу свойствами. При накоплении в атмосфере хранилища избытка углекислоты, образовавшейся в процессе дыхания
плодов, также происходит нарушение нормального дыхания.
Скорость влагоиспарения зависит от влажности окружающего
воздуха. При низкой влажности будут излишние потери влаги, ткани будут засыхать, терять массу. Это диктует необходимость следить за газовым состоянием окружающей среды.
Принцип биоза используется, как правило, при хранении плодов
и овощей. Сырье укладывают не очень высоким слоем, чтобы доступ воздуха к отдельным образцам не был затруднен, иначе процесс нормального дыхания нарушается и наступает так называемое
интрамолекулярное дыхание, заключающееся в бескислородном
разложении сахаров на спирт и углекислый газ по уравнению (4.1),
стр. 256. Образующийся спирт является ядом для цитоплазмы,
отравляет растительные клетки и приводит к их гибели, поэтому
сырье, особенно с нежной тканью, укладывают в ящики-клетки,
оставляя между отдельными штабелями ящиков проходы. При таком хранении имеется достаточный доступ воздуха, и дыхание протекает нормально.
В том случае, если хранению подвергают твердые плоды, и хранение запланировано на относительно небольшой срок, измеряемый
часами, то можно поступиться принципом хорошего доступа воздуха ради механизации процессов загрузки и разгрузки сырья
2. Принцип анабиоза - замедление, подавление жизнедеятельности микроорганизмов и ферментов сырья при помощи различных
физических, химических, физико-химических и биохимических
факторов. При этом микроорганизмы всегда переводятся в анабиотическое состояние. Наибольшее промышленное значение имеет:
- использование холода (охлаждение и замораживание);
- создание высоких концентраций осмотических давлений;
- хранение в регулируемой атмосфере;
- биохимические способы обработки (маринование, спиртование, квашение).
Особо следует отметить принцип ценоанабиоза (биохимический
способ консервирования), который основан на том, что при хранении создаются благоприятные условия для определенной группы
микроорганизмов, подавляющих размножение других микроорганизмов, вызывающих порчу продукта. Типичным примером ценоанабиоза является квашение, при котором биохимические процессы
156
протекают при помощи субстрата сырья (сахаров) и ферментов
микроорганизмов, присутствующих на сырье (дрожжей и молочнокислых бактерий). Это позволяет накопить в продукте собственные
консерванты: молочную кислоту и спирт. Они, в свою очередь, подавляют жизнедеятельность нежелательной микрофлоры, прежде
всего гнилостной, а также вызывающей маслянокислое и уксуснокислое брожение.
3. Принцип абиоза - полное прекращение всех биологических
процессов (стерилизация, использование антисептиков и антибиотиков, стерилизующее фильтрование, ионизирующее излучение).
В целом в консервном производстве используются разнообразные технологии, обусловленные многообразием состава и свойств
сырья и готовой продукции, подвергаемых консервированию. Следовательно, сохранение пищевых продуктов возможно за счет физических (применение высоких и низких температур, микроволновой энергии, излучений, ультрафиолетовой радиации, обеспложивающего фильтрования, обезвоживания), химических (использование антисептиков и антибиотиков), физико-химических (применение осмотически активных веществ) и биохимических (квашение,
засол, спиртовое брожение) факторов.
Физические методы консервирования
В основу физических методов положено использование высоких
и низких температур, а также обеспложивающих фильтров, ионизирующих излучений, ультрафиолетовых лучей и ультразвука.
Высокие температуры применяют для уничтожения микрофлоры и инактивации ферментов пищевых продуктов. К этим методам
консервирования относят пастеризацию и стерилизацию. Следует
отметить, что термин «стерилизация» является общим, обозначающим тепловую обработку продуктов с целью уничтожения микробов. В более узком смысле под стерилизацией принято понимать
тепловую обработку при 100оС и выше. Стерилизация, проводимая
при температуре ниже 100оС, называется «пастеризацией». В процессе стерилизации добиваются не абсолютной, а промышленной
стерильности, при которой в консервах должны отсутствовать возбудители порчи пищевых продуктов или патогенные и токсикоген157
ные формы (допускается наличие микроорганизмов, не способных
развиваться и вызывать порчу).
Основные параметры процесса - это температура и продолжительность, поскольку они определяют гибель биологических объектов (микроорганизмов и ферментов). Зависимость между температурой и продолжительностью гибели микроорганизмов обратная,
т.е. с повышением температуры время, требующееся для уничтожения микроорганизмов, снижается (при повышении температуры на
несколько градусов время начала гибели микроорганизмов уменьшается в несколько раз). При использовании стерилизации дополнительно учитывают давление.
Известно, что продолжительность прогрева продукта зависит от
физических свойств продукта (консистенции), геометрических размеров, начальной температуры. Независимо от режимов тепловой
обработки эффективность теплового воздействия обусловлена характером и количеством присутствующей в продукте микрофлоры,
т.к. ее устойчивость к интенсивности и продолжительности нагрева
не одинакова.
Пастеризацию проводят при температуре до 100оС для инактивации ферментов и частичного уничтожения микрофлоры, главным
образом, неспороносных и вегетативных клеток спороносных бактерий. Пастеризуют различные пищевые продукты: молоко, соки,
варенье, джем, плодово-ягодные компоты, пиво и др. При пастеризации плодово-ягодных продуктов и маринадов консервирующий
эффект также оказывают содержащиеся в них органические кислоты. В этом случае происходит не частичное, а полное уничтожение
микрофлоры. Благодаря непродолжительному воздействию высоких температур хорошо сохраняется пищевая ценность продукта.
При такой обработке не погибают споры микроорганизмов, поэтому пастеризованные продукты необходимо хранить при пониженных температурах. Пастеризованные продукты имеют ограниченную продолжительность хранения. Для повышения сроков хранения продуктов проводят многократную пастеризацию - тинадализацию. В этом случае консервируемый продукт после каждой тепловой обработки оставляют на некоторое время (примерно на сутки) в обычных условиях. Эффект, достигаемый тиндализацией, объясняется тем, что при повторных нагревах уничтожаются вегетативные клетки, вырастающие из спор во время выдержки продукта.
Тепловую обработку проводят 2-3 раза, пока не достигнут стериль158
ности. Но такой способ консервирования экономически невыгоден,
поэтому его применяют обычно при изготовлении консервов по
специальным заказам.
Стерилизация - это нагревание пищевых продуктов при температуре выше 100оС. При этом достигается полное уничтожение
микрофлоры. Хорошо стерилизованные консервы могут храниться
при нормальных условиях в течение нескольких лет. Режим стерилизации определяется температурой, до которой нагреваются консервы, и продолжительностью выдержки при этой температуре. На
режим стерилизации пищевых продуктов влияет их химический
состав. Выбор температуры стерилизации зависит, прежде всего, от
активной кислотности продукта. В зависимости от рН среды различают следующие группы консервов: с низкой кислотностью (рН 5,0
и выше) - молочные и мясные продукты; со средней кислотностью
(рН 5,0-4,5) - мясорастительные продукты; кислые (рН 4,5-3,7) - томатопродукты, плодово-ягодные консервы. Для консервов с низкой
кислотностью режим стерилизации должен быть более жёстким,
чем для тех, которые обладают высокой кислотностью. Кроме активной кислотности, играет роль и химическая природа органических кислот. Молочная кислота оказывает более угнетающее действие на микроорганизмы, чем лимонная, а лимонная - более угнетающее, чем уксусная. Наличие жира в продукте снижает стерилизующий эффект. Бактерицидными свойствами обладают фитонциды, содержащиеся в растительном сырье. При попадании бактериальной клетки в жировые капсулы, цитоплазмы клеток разрушаются плохо, что обусловлено отсутствием воды для ее гидратации при
деструкции. При наличии сахаров гидратация мембран также затруднена (сахара обладают гидрофильными свойствами). Аналогичное влияние оказывает поваренная соль в концентрации до 2,5
%, свыше указанной концентрации соль является причиной коагуляции белков протоплазмы.
Продолжительность прогревания зависит от начальной температуры продукта, его консистенции, вида и размера тары. Продолжительность стерилизации обычно колеблется от 60 до 120 минут
для мясных консервов, от 40 до 100 минут для рыбных, от 25 до 60
минут для овощных, от 10 до 20 минут для сгущённого молока.
Независимо от вида продукта существует определенный период
времени, необходимый для полного уничтожения микрофлоры,- так
называемое «смертельное» или «летальное» время. Говоря о смер159
тельном времени, имеется ввиду та часть микробных клеток, которые находятся в центральной части продукта. Это связано с тем, что
при стерилизации заданная температура устанавливается не сразу и
не одновременно во всей массе продукта. Передача теплоты от теплоносителя к продукту происходит от периферии банки к ее центру.
Сначала прогреваются слои консерва, находящиеся у поверхности
тары, затем теплота проникает постепенно в глубину продукта и,
наконец, достигает наиболее отдаленного от периферии места,
находящегося вблизи геометрического центра банки. В центральной
части банки также, как у периферийных участков, содержатся микроорганизмы, и именно эта часть является наиболее неблагоприятной с точки зрения возможности выживания в ней микробов.
Для определения необходимой продолжительности стерилизации учитывают, что она складывается из продолжительности прогрева банки до ее центра и продолжительности времени, необходимого собственно для гибели микроорганизмов. Второй отрезок времени обусловлен свойствами микробных клеток, в частности способностью клеточных мембран микроорганизмов не разрушаться
под действием температуры. Отметим, что микробы можно уничтожить при различных температурах, начиная, примерно, с температуры 60оС. Вопрос сводится лишь к продолжительности теплового воздействия: при повышении температуры на несколько градусов
смертельное время уменьшается в несколько раз и определяется по
логарифмическому уравнению:
Y=10
Тэ - Тд
z
,
(4.2)
где Y - «смертельное время» при любой заданной температуре Тд, с;
- «смертельное время» с, при температуре, с действием которым сравнивают действие любой данной температуры (или
эталонная температура Тэ);
z - константа устойчивости микроорганизмов.
В результате стерилизационной обработки несколько снижается
вкусовая и пищевая ценность пищевых продуктов, т.к. при этом
происходит гидролиз белков, жиров, углеводов, разрушаются витамины, некоторые аминокислоты (лизин, гистидин, аргинин) и др.
Доказано, что качество консервированных продуктов лучше сохра-
160
няется в том случае, если используется кратковременная высокотемпературная обработка.
Наиболее прогрессивным является метод асептического консервирования. Сущность его состоит в том, что жидкие и пюреобразные пищевые продукты подвергают стерилизации путём кратковременного высокотемпературного нагрева, охлаждают, а затем
расфасовывают в стерильную тару и укупоривают в асептических
условиях. Этот метод применяют для консервирования томатапасты, плодово-ягодных соков, молока и других продуктов. Преимущество такого способа состоит в том, что сокращается продолжительность обработки продукта, в результате чего повышается
пищевая ценность консервов; кроме того, для упаковки могут быть
использованы полимерные материалы.
Консервирование низкими температурами является одним из
лучших методов длительного хранения скоропортящихся продуктов
с минимальными изменениями их химического состава. Низкие
температуры замедляют химические и биохимические процессы
обмена веществ в тканях, снижают ферментативную активность,
приостанавливают развитие микроорганизмов. Чем ниже температура, тем эффективнее задерживаются микробиологические и биохимические процессы. Однако устойчивость к действию холода у
разных видов микроорганизмов различна. Наименее устойчивы
бактерии, большинство из которых прекращает свой рост при температуре минус 12оС и ниже.
Температура оказывает влияние на метаболическую активность
микроорганизмов и живых тканей, а также на интенсивность протекания химических реакций. Только психрофильные микроорганизмы способны развиваться при температурах от нуля до минус пятнадцати градусов. Это является причиной торможения микробиологических процессов в биологическом материале.
Пониженные температуры замедляют дыхание биологических
объектов и потери воды при хранении в результате испарения. При
этом для хранения проводят оптимизацию:
- по относительной влажности окружающей среды;
- скорости циркуляции воздуха с целью равномерного распределения температурных полей по объему камеры и продукта;
- количеству ультрафиолетового излучения, которое губительно
для микроорганизмов, но стимулирует окислительные процессы
(например в липидах);
161
- составу атмосферы в холодильной камере (благодаря этому
можно уменьшить скорость аэробного дыхания плодов и овощей,
замедлить скорость окислительных реакций и темпы роста микроорганизмов).
Консервирование низкими температурами проводят путём
охлаждения или замораживания.
Обработка умеренным холодом представляет собой снижение
температуры, которая, будучи на 10-15оС ниже комнатной температуры, не опускалась бы ниже минус 1-3оС, то есть ниже температуры, при которой вода в сырье и пищевых продуктах замерзает. Благодаря этому, скорость биохимических процессов замедляется, особенно на дыхании, которое определяет хранимоспособность большинства растительных объектов. Снижение биологической и биохимической активности при понижении температуры объясняется
не только зависимостью скорости реакции от температуры, но и
тем, что цитоплазма теряет проницаемость (это связано с тем, что
цитоплазма самопроизвольно увеличивает площадь своей поверхности с одновременным «затягиванием» пор и одновременным
уменьшением клеточной проницаемости). Данный процесс является
обратимым. Метод хранения в охлажденном состоянии позволяет
существенно увеличить сохранность сырья при изменении его
натуральных свойств.
Охлаждением называется обработка и хранение пищевых продуктов при температуре, близкой к криоскопической, т.е. к температуре замерзания клеточного сока, которая зависит от состава и
концентрации сухих веществ. Для яблок она колеблется от минус
1,4 до минус 2,8оС, для винограда равна минус 3,8оС, для лука минус 1,6оС, для рыбы минус 2оС, для мяса минус 1,2оС и ниже.
Продолжительность хранения пищевых продуктов в охлаждённом состоянии различна: от 24 часов для молока до 6-10 месяцев
для плодов и овощей. Охлаждённое мясо и рыбу можно хранить до
20 суток при температуре от 0 до минус 1оС и относительной влажности воздуха 85-90 %.
Замораживание представляет собой метод консервирования, при
котором продукт охлаждают до температуры более низкой, чем соответствующая температура замерзания, а затем хранят в таком виде более длительный период, по сравнению, например, с хранением
в охлажденном состоянии. Это становится возможным благодаря
162
переходу воды в твердое состояние и отсутствию доступности ее
для жизнедеятельности микроорганизмов.
Для прогнозирования и оценки процесса перехода влаги в твердое состояние можно использовать правило: «после достижения
температуры замерзания дальнейшее понижение температуры
вдвое приводит к вымерзанию половинного количества имеющейся
влаги». В этой связи доказано, что основная часть влаги переходит в
твердое состояние при температуре около минус 18оС.
Принято считать, что замораживание как способ консервирования является дорогостоящим. Замораживание является одним из
наиболее эффективных методов консервирования пищевых продуктов. Несмотря на длительное воздействие холода, основные пищевые вещества продуктов не испытывают заметных изменений. При
замораживании происходит полная кристаллизация жидкой фазы
продукта. Этот способ применяется для более длительного сохранения мясных и рыбных продуктов, овощей, фруктов и др.
Для получения замороженного продукта высокого качества увеличивают скорость замораживания. Чем выше скорость замораживания, тем больше образуется кристаллов льда и тем меньше их
размер. Медленное замораживание (скорость охлаждения 1оС/мин),
как правило, является причиной протекания внеклеточной кристаллизации, которая характеризуется формированием больших кристаллов с неравномерным расположением в продукте. Напротив,
мелкие кристаллы равномерно распределяются в тканях продукта,
они не деформируют клеток. При размораживании таких продуктов
образовавшаяся влага полностью связывается коллоидами клеток. В
быстрозамороженных продуктах хорошо сохраняются витамины.
Быстрое замораживание проводят при температуре минус 30-40оС,
доводя температуру внутри продукта до минус 18оС. Мясо замораживают при минус 30-35оС. Хранят замороженные продукты при
минус 18оС.
Скорость образования кристаллов льда зависит от скорости массо- и теплообмена. В процессе кристаллизации молекулы воды
движутся от жидкой фазы к стабильному состоянию на поверхности
кристалла, а молекулы растворенных веществ диффундируют в обратном направлении. Рекристаллизация обусловлена стремлением
системы достичь состояния равновесия, при котором свободная
энергия минимальна и произошло выравнивание химического потенциала между всеми фазами в системе.
163
При замораживании возможна рекристаллизация (любое изменение в количестве, размере, форме, ориентации кристаллов льда),
которая является результатом нестабильного состояния сформированных кристаллов.
Замораживание может осуществляться различными способами с
использованием различного типа скороморозильных аппаратов и
камер (туннельные, контактные и др.). Продолжительность замораживания зависит от вида сырья, упаковки, температуры и скорости
движения воздуха в камере. Так, замораживание продуктов в интенсивном потоке воздуха в туннельных морозильных аппаратах ведётся при температурах от минус 18 до минус 28оС в течении 12-24
часов. При замораживании плодов и овощей контактным способом
в плиточных скороморозильных аппаратах с температурой минус
30оС продолжительность процесса снижается до 2-х часов.
Широко распространено замораживание продуктов в флюидизационных скороморозильных аппаратах в интенсивном потоке холодного воздуха. Такой способ используют для замораживания пищевых продуктов в виде отдельных мелких частиц (зелёный горошек, артишоки, брюссельская капуста, земляника, малина, черника
и т.п.). Сущность флюидизации состоит в том, что через слой продукта снизу вверх с определённой скоростью продувается воздух,
при этом плотный слой продукта переходит во взвешенное состояние, частицы продукта интенсивно перемешиваются, бурлят, напоминая кипящую жидкость, поэтому такой слой иногда называют
«кипящим».
Замораживание плодов и овощей в «кипящем» слое значительно
сокращает продолжительность процесса, улучшает качество продукции. Продолжительность замораживания зависит от режима замораживания, размеров продукта и колеблется, например, от 4 минут (для малины) до 30 минут (для помидор). Замороженный продукт имеет мелкозернистую кристаллическую структуру, отдельные
частицы не слипаются, поэтому можно применять расфасовочные
автоматы.
Перспективным является замораживание в жидкости (пропиленгликоле, глицероле, фреоне, растворах солей и сахаров). Метод
экономичен и не приводит к понижению влагосодержания и усушке
продукта. Использование жидких теплоносителей известно под
названием «криогенной техники» или «криогенного способа».
164
В настоящее время используют способ быстрого замораживания продуктов при очень низких температурах (от минус 80 до минус 190оС) с использованием жидкого азота. Преимущество этого
способа состоит в высоком качестве замороженных продуктов и
сравнительно низкой их усушке: для большинства продуктов она
составляет лишь 0,25 % вместо 1,8 % при замораживании в туннельных морозильных аппаратах. Недостатком этого способа является его высокая стоимость.
При хранении замороженных продуктов в результате испарения
влаги с их поверхности происходит убыль массы (усушка), величина которой зависит от вида сырья и упаковки, а также от сроков и
режимов хранения. Уменьшить сушку можно созданием благоприятных условий хранения и искусственной влагонепроницаемости
оболочки вокруг продукта. При хранении замороженных продуктов
происходит перекристаллизация льда в тканях: уменьшается количество кристаллов, увеличиваются их размеры. Увеличение размеров кристаллов может происходить при стабильной температуре
хранения ввиду растворения более мелких кристаллов и роста более
крупных. Это явление резко усиливается при колебаниях температуры, неизбежных при длительном хранении замороженных продуктов. При повышении температуры часть кристаллов (в первую
очередь мелкие) оттаивает, а при последующем понижении температуры влага намораживается на поверхности сохранившихся крупных кристаллов, что приводит к деформации клеточных стенок.
При замораживании микрофлора полностью не уничтожается;
особенно холодоустойчивы споровые формы микроорганизмов. После размораживания продукта они возобновляют свою жизнедеятельность и могут привести к его быстрой порче, поэтому размороженные продукты необходимо сразу же перерабатывать.
Качество замороженных продуктов зависит от скорости замораживания, под которой обычно понимают скорость льдообразования от поверхности к центру. Образующиеся при замораживании
острые кристаллы льда повреждают цитоплазму, разрывают клеточные оболочки, что приводит к деформации материала после размораживания. Процесс кристаллизации состоит из двух этапов зарождение кристаллов и их рост.
Формирование кристаллов льда происходит через стадию переохлаждения продукта и протекает по двум возможным типам: гомогенное (для чистой воды) и гетерогенное (каталитическое) форми165
рование кристаллов, при котором образование ядер происходит по
соседству с растворенными частицами. Когда процесс замораживания происходит медленно (при не очень низких температурах) центры кристаллизации образуются прежде всего в межклеточном пространстве, где концентрация раствора ниже, чем в клетках. Это
приводит к возрастанию концентрации солей в межклеточной жидкости и повышению осмотического давления, в результате чего влага диффундирует в межклеточное пространство и намерзает на
стенках ранее образовавшихся кристаллов льда. При этом образуются крупные, неравномерно расположенные кристаллы. Под их
давлением, а также в результате обезвоживания и свёртывания белков соседние клетки отмирают. Ткани разрыхляются, образующаяся
при размораживании влага ими впитывается не полностью, происходит потеря клеточного сока.
При длительном хранении замороженных продуктов изменяется
их химический состав, гидролизуются и окисляются жиры, изменяется цвет, частично разрушаются витамины в результате их окисления кислородом воздуха, ухудшаются вкус и запах. Если химические изменения при воздействии низких температур невелики, то
гораздо больше снижается их качество из-за гистологических изменений, что обусловлено разрушением мембран клеток кристаллами
льда. Особенно ярко эти негативные последствия проявляются при
замораживании нежной растительной ткани - клубники, томатов,
абрикосов и даже картофеля. Избежать этого в некоторой степени
позволяет шоковое замораживание с использованием температур
хладоносителя порядка 35-40оС. Особенностью замораживания является еще и то, что необходимо строго соблюдать принцип так
называемой «единой холодильной транспортной цепи» от изготовителя к потребителю, т.е. заморозив продукт, следует поддерживать
эту температуру на всем пути следования продукта.
Способ консервирования с использованием обеспложивающих
фильтров позволяет получать стерильные пищевые продукты с максимальным сохранением в них витаминов, цвета, вкуса и аромата.
Этим способом освобождают от микроорганизмов прозрачные соки,
виноградные вина, пиво и др. Сущность метода состоит в пропускании продукта через фильтры, имеющие настолько мелкие поры,
что они задерживают содержащиеся в нём микроорганизмы.
Для получения стойких при хранении продуктов недостаточно
лишь стерилизующего фильтрования. Необходимо производить
166
розлив в условиях, исключающих вторичное заражение продукта,
поэтому стерильными должны быть и разливочный автомат, и консервная тара, и укупорочный материал, и укупорочная машина.
Кроме того, в продукте сохраняются ферменты, которые могут катализировать нежелательные биохимические реакции, приводящие
к его порче.
При консервировании ионизирующими излучениями стерилизующий эффект получают без повышения температуры. Ионизирующее излучение представляет собой излучение энергии с длиной
волны менее 0,5 Å, способные вызвать ионизацию электрически
нейтральных атомов и молекул и стимулировать в облученных материалах однотипные химические реакции. Исходя их этого, иногда
консервирование ионизирующей радиацией называют «холодной
стерилизацией» или «холодной пастеризацией». Для обработки пищевых продуктов используют рентгеновское излучение, γизлучение или поток ускоренных электронов. Особый интерес
представляет γ-излучение. Механизм действия ионизирующей радиации основан на ионизации молекул и атомов микроорганизмов
под воздействием γ-квантов (атом или молекула теряет электрон), в
результате чего нарушаются их нормальные биологические функции и они отмирают. Гибель живых клеток под влиянием ионизирующих излучений наступает вследствие нарушений в нуклеиновом
и других обменах клетки. Величина дозы облучения зависит от вида
продукта, а также характера и интенсивности обсеменяющей его
микрофлоры. Вначале ионизируются молекулы воды.
Н2О+е Н2О- ;
Н2О-е Н2О+
Образующиеся ионы Н2О- и Н2О+ крайне неустойчивы и тотчас
распадаются с образованием свободных радикалов.
Н2О-ОН-+Н
Н2О+Н++ОН
Образовавшиеся свободные радикалы Н и ОН обладают высокой химической активностью. Свободные радикалы неустойчивы и
могут существовать в свободном виде всего 10-5-10-6 секунд. Однако
за этот короткий период времени с их помощью образуются сильные окислители, которые могут вторгаться в химическую природу
облучаемых веществ. Схема возникающих комбинаций:
ОН+ОНН2О2 (пероксид водорода);
167
Н2О2+ОНН2О+НО2 (гиперпероксид водорода) ;
НО2+ОНО2+Н2О; НО2+Н2О2О2+Н2О+ОН;
О2+ННО2; НО2+ОНН2О2+О;
Различают несколько видов обработки пищевых продуктов
ионизирующими излучениями. Радиационная стерилизация, почти
полностью подавляющая развитие микроорганизмов, называется
«радаппертизацией». В этом случае используют дозы порядка 10-25
кГр. Радаппертизация применяется для обработки пищевых продуктов, предназначенных для длительного хранения в различных (в т.ч.
и неблагоприятных) условиях. Обработку продуктов пастеризующими дозами порядка 5-8 кГр, достаточную для увеличения длительности хранения, называют «радуризацией».
Существенным недостатком консервирования ионизирующими
излучениями является то, что при обработке пищевых продуктов
изменяется их химический состав, а это приводит к ухудшению
вкуса, запаха, консистенции.
В последние годы большое внимание было уделено подбору режимов облучения пищевых продуктов, не вызывающих изменений
органолептических свойств. Наиболее перспективным способом
является облучение в инертных газах, вакууме, при низких температурах и с применением антиокислителей. Для обработки мяса и рыбы дозы облучения не должны превышать 6-8 кГр, в этом случае
почти не наблюдаются изменения вкуса, запаха и консистенции.
Для длительного хранения картофеля и некоторых овощей допустимые нормы ионизирующей радиации не превышают 0,1-0,12
кГр, их использование полностью подавляет прорастание лука, чеснока и картофеля при хранении.
Однако этот способ не нашел промышленного применения и
находится в стадии углубленного изучения. Всесторонне изучается
и его влияние на здоровье человека, степень устойчивости микроорганизмов к действию ионизирующих излучений, исследуются изменения, происходящие в облучённых пищевых продуктах.
Консервирование токами ультравысокой (УВЧ) и сверхвысокой
(СВЧ) частоты основано на том, что в помещённом в высокочастотное электромагнитное поле переменного тока продукте происходит
усиленное движение заряженных частиц, а это приводит в повышению температуры продукта до 100оС и выше. Продукты, укупорен-
168
ные в герметичную тару и помещённые в зону действия волн ультравысокой частоты, нагреваются до кипения в течении 30-50 с.
В отличие от тепловой стерилизации при использовании поля
УВЧ и СВЧ нагревание продукта происходит одновременно во всех
точках, при этом на скорость прогрева не влияет теплопроводность
продукта. Отмирание микроорганизмов при нагревании продуктов в
поле СВЧ происходит значительно быстрее, чем при тепловой стерилизации, в результате того, что колебательные движения частиц в
клетках микроорганизмов сопровождаются не только выделением
тепла, но и поляризационными явлениями, влияющими на их жизненные функции. Так, для стерилизации мяса и рыбы в поле СВЧ
при 145оС требуется 3 минуты, в то время как обычная стерилизация длится 40 минут при температуре 115-118оС. Этим методом в
плодоовощной промышленности стерилизуют плодово-ягодные и
овощные соки, в общественном питании токи СВЧ используют для
приготовления различных блюд.
Облучение ультрафиолетовыми лучами (УФЛ), т.е. невидимой
частью световых лучей с длиной волны 60-400 нм, губительно действует на микрофлору пищевых продуктов. Наиболее эффективным
действием на микроорганизмы обладают лучи с длиной волны 255280 нм. Ультрафиолетовое облучение, охватывающее область электромагнитных колебаний с длинами волн 136-4000 Å (1 ангстрем
равен 107 мм), обладает большой энергией и поэтому оказывает
сильное химическое и биологическое действие. В зависимости от
длины волны действие различных участков ультрафиолетового
спектра неодинакова. Область с длиной волн от 4000 до 3300 Å является химически активной, зона в пределах 3300-2000 Å является
биологически активной (способствует синтезу в организме витамина А), а наибольшим воздействием на бактерии обладают лучи с
длиной волн 2950-2000 Å. За волнами с длиной волны менее 2000 Å
лежит малоизученная озонирующая область спектра. Гибель микробиальных клеток обусловлена, главным образом, адсорбцией
УФЛ нуклеиновыми кислотами и нуклеопротеидами, что приводит
к денатурации этих веществ. Устойчивость микроорганизмов к действию УФЛ различна: бактерии являются более чувствительными,
чем плесени.
УФЛ используют для стерилизации поверхности мясных туш и
колбасных изделий, т.к. их проникающая способность не превышает 0,1 мм. Кроме того, УФЛ можно использовать для стерилизации
169
камер холодильников и складов. Однако этот способ консервирования требует большой осторожности, т.к. УФЛ опасны для человека
(действуют на глаза и кожу). Широкое использование бактерицидного эффекта ультрафиолетовых лучей для консервирования пищевых продуктов лимитируется их малой проникающей способностью, не превышающей долей миллиметра. Не пропускают ультрафиолетовые лучи стенки тары.
Ультразвук (звук с колебаниями выше 20 кГц) может быть использован для пастеризации молока, обеззараживания производственной воды, стерилизации консервов. Применение этого метода
позволяет консервировать пищевые продукты без нагревания, что
обеспечивает лучшее сохранение их натурального вкуса и запаха.
Механизм действия ультразвуковых колебаний на микроорганизмы до настоящего времени не выяснен. Считают, что они погибают под влиянием кавитации, т.е. в результате образования мелких
разрывов в жидкости, возникающих под действием растягивающих
усилий, которые создаются звуковой волной во время фазы разряжения.
Химические методы консервирования
Химические методы консервирования основаны на использовании специальных агентов, т.е. веществ биологического (микробного, животного или растительного) происхождения (сейчас выпускаются и полусинтетические антибиотики), обладающих способностью подавлять рост и размножение определённых видов микроорганизмов. В небольших концентрациях они способны предохранять
продукт от порчи в течение определённого времени, и поэтому некоторые из них применяются в качестве консервантов.
В пищевых продуктах антибиотики имеют следующее происхождение: естественные антибиотики, свойственные исходному
пищевому сырью; антибиотики, образующиеся в процессе изготовления пищевых продуктов; антибиотики, попадающие в пищевые
продукты в результате лечебно-ветеринарных мероприятий, а также
антибиотики, попадающие в продукты животноводства при использовании их в качестве биостимуляторов роста животных; антибиотики, применяемые в качестве консервирующих веществ.
В пищевой промышленности разрешается использовать лишь
такие антибиотики, которые не используются в медицинской практике, обладают высокими антимикробными свойствами и в то же
170
время инактивируются при тепловой обработке, не являются токсичными для человека и не оказывают влияния на органолептические свойства пищевых продуктов. В качестве консерванта антибиотики пригодны для обработки скоропортящихся продуктов (таких, как мясо и рыба) и лишь в тех случаях, когда другие способы
консервирования затруднены или невозможны. Чаще всего свойства
антибиотиков используются для сохранения мяса при его транспортировке на дальние расстояния и при доставке рыбы на рыбозаводы.
Ограниченное применение антибиотиков в качестве консервантов обусловлено, прежде всего тем, что, попадая в организм даже в
минимальном количестве, они могут привести к появлению в нём
устойчивых форм патогенных микроорганизмов. Кроме того, продолжительное употребление пищи с активным антибиотиком иногда вызывает нежелательные изменения в составе обычной, нормальной микрофлоры кишечника - дисбактериозы, которые в свою
очередь, могут стать причиной развития вторичных бактериальных
инфекций. Возможны повышенная чувствительность к антибиотикам и их токсичность для организма.
Технологические приемы применения антибиотиков различны:
погружение пищевого продукта в раствор антибиотиков на ограниченный срок, орошение поверхности пищевого продукта раствором
антибиотиков различной концентрации, введение антибиотиков перед забоем животных и т.д.
Химические вещества, используемые для консервирования пищевых продуктов, должны быть безвредными и не изменять вкус,
цвет и запах продукта. В настоящее время для консервирования
разрешены: этиловый спирт, уксусная, сернистая, бензойная, сорбиновая кислоты и некоторые их соли, борная кислота, уротропин,
некоторые антибиотики и др.
Консервирование этиловым спиртом основано на губительном
действии спирта на микроорганизмы. Этиловый спирт используется
в качестве консерванта при производстве плодово-ягодных соков полуфабрикатов. В концентрациях 12-16 % этиловый спирт задерживает развитие, а при 18 % полностью подавляет жизнедеятельность микроорганизмов. Соки с концентрацией спирта 25-30 %
применяются при производстве ликеро-водочных изделий, а с концентрацией 16 % - при получении безалкогольных напитков.
Маринование представляет собой способ консервирования, в основу которого положено повышение кислотности среды путём до171
бавления уксусной кислоты. В концентрациях 1,2-1,8 % уксусная
кислота подавляет деятельность многих микроорганизмов, и в
первую очередь гнилостных.
Для усиления консервирующего эффекта маринование иногда
сочетают с другими видами консервирования: пастеризацией, солением, хранением при низких температурах. В пастеризованных маринованных продуктах содержание уксусной кислоты снижается до
0,8-1,2 %, что благоприятно влияет на их вкус.
При производстве маринованных продуктов обычно используют
столовый уксус, содержащий 3-6 % уксусной кислоты, или пищевую уксусную эссенцию с содержанием уксусной кислоты 70-80 %.
Для выработки маринадов более желателен биохимический уксус
(спиртовой, винный, плодово-ягодный и др.), т.к. уксус из эссенции
обладает резким вкусом. Кроме уксуса в маринадную заливку добавляют соль, пряности, сахар.
Маринуют плоды, овощи, грибы, рыбу и др. Подготовленные
свежие, бланшированные или жареные продукты заливают маринадной заливкой, банки закатывают и пастеризуют при температуре
90-100оС. При хранении маринадов происходит их созревание, которое длится от 20 дней до 2 месяцев. В процессе созревания уксусная кислота, сахар и соль диффундируют в продукты. Под действием кислот около 75 % сахарозы превращается в инвертный сахар,
улучшаются вкусовые качества продукта. Хранят маринады при
низких температурах (от 0 до 4оС), т.к. многие плесени усваивают
уксусную кислоту и могут вызывать порчу продуктов.
Консервирование пищевых продуктов сернистой кислотой, её
солями и сернистым ангидридом называется «сульфитацией». Сернистая кислота является сильным антисептиком, подавляет деятельность плесеней и бактерий; более устойчивы к её действию
дрожжи, особенно винные расы. Эта кислота применяется для консервирования плодов, ягод, фруктовых и овощных полуфабрикатов.
Эффективность действия сернистой кислоты зависит от температуры и рН среды. При повышении кислотности степень диссоциации
сернистой кислоты уменьшается, и таким образом сохраняется
больше недиссоциированных молекул, обладающих консервирующим действием.
Сульфитацию проводят различными способами. Для дезинфекции помещений, бочек, резервуаров применяется газообразный сернистый ангидрид, образующийся при сжигании серы. Сернистый
172
ангидрид может подаваться из стальных баллонов, в которых сжиженный газ находится под давлением. Сульфитацию также проводят 5-6 %-ым водным раствором или с помощью растворов разных
солей, выделяющих двуокись серы. Сернистая кислота инактивирует ферменты, подавляет процессы дыхания плодов и овощей, удлиняя тем самым продолжительность их хранения и предохраняя от
потемнения. При нагревании сульфитированных продуктов происходит быстрое расщепление сернистой кислоты с выделением газообразного сернистого ангидрида. На этом свойстве сернистой кислоты основан процесс её удаления из продукта - десульфитация.
Сульфитированные продукты используются только для последующей переработки после удаления сернистой кислоты. Сернистый
ангидрид действует на дыхательные органы и вызывает раздражение слизистой оболочки, поэтому в больших концентрациях он опасен для человека.
К наиболее часто применяемым солям сернистой кислоты относятся бисульфит натрия (NaHSO3), бисульфит калия (KHSO3),
пиросульфат натрия (Na2S2O3) и сернистокислый натрий (Na2SO3),
сернистокислый калий (K2SO3). Их используют для консервирования плодов и ягод с высокой кислотностью. Под действием кислот
происходит расщепление солей сернистой кислоты с выделением
сернистого ангидрида. Остаточное содержание сернистого ангидрида в сушёных овощах и фруктах не должно превышать 0,01-0,06
%, в плодово-ягодных пюре - 0,2, в соках - 0,12-0,15 %.
Бензойная кислота (С6Н5СООН) и бензойнокислый натрий применяются для консервирования фруктово-ягодных полуфабрикатов,
соков, килек. Бензойная кислота плохо растворима в воде, поэтому
для консервирования обычно используют её соль - бензойнокислый
натрий (C6H5COONa). Эта кислота подавляет жизнедеятельность
дрожжей, менее интенсивно действует на маслянокислые бактерии,
слабо на уксуснокислые и почти совсем не влияет на развитие молочнокислых бактерий и плесеней. Наиболее сильное антисептическое действие бензойной кислоты и бензойнокислого натрия проявляется в кислой среде при рН 2,5-3,5. Недостатком бензойной кислоты является её отрицательное влияние на вкус консервируемого
продукта, под её действием также происходит помутнение растительных материалов, содержащих белок, поэтому количество бензойной кислоты, добавляемое в пищевые продукты, строго регламентируется и не превышает 70-100 мг на 100 г продукта.
173
Сорбиновая кислота (C6H8O2) и её соли являются сильными антисептиками. Они используются для консервирования фруктовых
соков, пюре, маринадов и других продуктов с низким рН среды.
Сорбиновая кислота относится к непредельным и представляет собой белые или слегка желтоватые кристаллы без запаха со слабокислым вкусом. Она подавляет деятельность грибов и дрожжей и
слабо или почти не действует на бактерии. Эта кислота труднорастворима в холодной воде, поэтому чаще применяется в виде водорастворимых солей: сорбата натрия или калия. Преимущество сорбиновой кислоты перед другими консервантами состоит в том, что
она не изменяет вкус и запах консервированных продуктов. Количество сорбиновой кислоты, допускаемое для консервирования различных продуктов, неодинаково и колеблется от 0,05-0,1 % (безалкогольные напитки, соки) до 0,5 % (полукопчёные колбасы).
Нитраты и нитриты используют в качестве консервирующего
средства для повышения стойкости окраски мяса, мясных продуктов и рыбных изделий. Они применяются вместе с поваренной солью и сахаром при засолке мяса; мясо консервированное только солью, получается жёстким, волокнистым, неприятного серого цвета.
Добавление сахара улучшает вкус продукта, а добавление нитратов
и нитритов - сохраняет цвет.
Из-за вредного воздействия на организм человека законодательством установлена предельно допустимая концентрация нитратов и
нитритов в пищевых продуктах. Так, в варёных мясопродуктах содержание нитрита натрия не должно превышать 3 мг на 100 г продукта, в полукопчёных - 5, в копчёных - 10 мг.
Борная кислота (Н3ВО3), бура (Na2B4O710H2O) 0,3 %-й концентрацией и уротропин используются для сохранения зернистой
осетровой икры. Борную кислоту применяют как консервант в производстве меланжа.
Антибиотики, которые могут быть использованы в пищевой
промышленности, наряду с выраженным антимикробным действием должны обладать невысокой устойчивостью, а также легко инактивироваться при тепловой обработке продуктов. В настоящее время в пищевой промышленности разрешено применять хлортетрациклин (биомицин), нистатин, низин и некоторые другие.
Хлортетрациклин (биомицин) при нагревании образует изомер
изохлотетрациклин, безвредный для организма человека и обладающий бактериостатическим свойством. Этот антибиотик действует
174
на слизеобразующие микроорганизмы. В пищевой промышленности его используют для обработки мяса и рыбы, транспортируемых
на дальние расстояния. Для обработки тресковых рыб используют
биомициновый лёд, т.е. лёд, содержащий хлортетрациклин в количестве не более 5 г на 1 т продукта.
Нистатин - антибиотик, действующий на дрожжи и грибы, вызывающие плесневение мяса. В пищевой промышленности для более эффективной обработки мясных туш его обычно применяют в
сочетании с хлортетрациклином. Концентрация хлортетрациклина в
растворах не должна превышать 100 мг, а концентрация нистатина 200 мг на 1 л воды.
Низин используется при производстве молочных и плодоовощных консервов. Он представляет собой полипептид, образующийся
в процессе метаболизма молочнокислых стрептококков. В состав
низина входят различные аминокислоты: метионин, лейцин, валин,
лизин, гистидин, пролин, глицин, серин и др. Низин задерживает
рост различных стафилококков, стрептококков, клостридий и др. В
организме человека низин быстро разрушается, не оказывая отрицательного действия. Важной особенностью низина является его способность уменьшать сопротивляемость спор термоустойчивых бактерий к нагреванию, что позволяет снижать режим стерилизации.
Антибиотиками растительного происхождения являются фитонциды. Из них наиболее применимо для консервирования аллиловое горчичное масло, добываемое из семян горчицы
(C3H5N=C=S). Введение этого антибиотика в маринады в количестве 0,002% позволяет сохранять их без пастеризации в течение года при условии герметичной укупорки банки.
Для сохранения качества и увеличения сроков хранения пищевых продуктов применяют озон, обладающий дезинфицирующими
и дезодорирующими свойствами. Являясь сильным окислителем,
озон подавляет или прекращает развитие бактерий и плесеней, их
спор, как на поверхности продукта, так и в воздухе. Эффективность
действия озона зависит от концентрации, относительной влажности
воздуха, а также от исходной обсеменённости продукта.
Озон рекомендуется использовать для дезинфекции и дезодорации воздуха в холодильных камерах, для дезинфекции транспортных средств, оборудования и тары. Озонирование необходимо проводить высокими концентрациями озона (25-40 мг/м3) в течении 1248 часов, что позволяет снизить заражённость камер более чем на
175
90 %. Для обработки мяса, колбас, сыров концентрация озона не
должна превышать 10 мг/м3, т.к. более высокое его содержание вызывает ухудшение вида, вкусовых достоинств и пищевой ценности.
Углекислый газ в повышенных концентрациях подавляет или
полностью прекращает жизнедеятельность многих микроорганизмов. Эффективность воздействия СО2 на микроорганизмы зависит
от его концентрации в атмосфере, температуры воздуха и вида микроорганизмов. Задержка развития плесеней происходит при концентрациях СО2 около 20 %, а при 40-50 % почти полностью прекращается их рост. Бактерии более устойчивы к действию СО2. Некоторые анаэробные гидрообразующие бактерии способны развиваться при 60-80 % СО2. Однако для хранения пищевых продуктов
концентрация СО2 не должна превышать 20-22 %, так как более высокое содержание углекислого газа вызывает ухудшение качества
продуктов. Целесообразно использовать СО2 в сочетании с охлаждением. В этом случае сроки сохраняемости мяса, рыбы, птицы и
колбасных изделий при температуре 0оС и 10-20 % СО2 увеличиваются в 2-3 раза по сравнению с обычным холодильным хранением.
Для достоверной оценки безопасности антимикробных соединений, применяемых в пищевой промышленности, в Московском государственном университете прикладной биотехнологии проведены
комплексные исследования по оценке антимикробной активности
некоторых препаратов, имеющихся на отечественном рынке. Эти
результаты представлены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Результаты определения антимикробной активности
консервантов (цитировано по Л.С. Кузнецовой)
НаимеТестируемый
нование
микроорганизм
консерванта
Сорбат E. coli
калия
Torulopsis sp.
Pseudomonas aeruginosa
Lactococcus lactis
Mucor heterosporum
Сорбат E. coli
натрия
Mucor heterosporum
Torulopsis sp.
176
Минимальная
ингибирующая
концентрация
консерванта, %
0,30
0,25
0,25
0,05
0,30
0,20
0,35
0,25
Концентрация консерванта, полностью
подавляющая рост
микроорганизма, %
0,76
0,45
0,50
0,30
0,60
0,60
0,60
0,50
Aspergillus niger
Penicillium chrysogenum
Aspergillus niger
Pseudomonas aeruginosa
Lactococcus lactis
Натрие- E. coli
вая соль Torulopsis sp.
дегидра- Penicillium expansum
цетовой Pseudomonas aeruginosa
кислоты Lactococcus lactis
Mucor heterosporum
Aspergillus niger
Pseudomonas aeruginosa
0,35
0,30
0,25
0,35
0,15
0,125
0,145
0,125
0,115
0,008
0,125
0,120
0,039
Калиевая E. coli
соль деMucor heterosporum
гидрацетовой ки- Aspergillus niger
слоты
0,125
0,90
0,50
0,50
0,80
0,30
0,25
0,25
0,20
0,25
0,15
0,25
0,25
концентрация не
определялась
0,50
0,125
0,25
0,125
0,25
Бензоат
натрия
Обобщенные результаты экспериментов свидетельствуют о том,
что по отношению к вегетативным клеткам исследованных микроорганизмов наибольшее фунгицидное действие оказывают водорастворимые производные дегидрацетовой кислоты.
Физико-химические методы консервирования
Сушка (обезвоживание) проводится для предотвращения или
замедления физико-химических, биологических и других процессов, способствующих снижению пищевой ценности продуктов или
их порче. Сушку используют для увеличения продолжительности
хранения зерна, плодов, овощей, грибов, молока, яиц, рыбы и других продуктов. Большинство пищевых продуктов сушат до содержания влаги 4-14 %, в результате чего снижаются ферментативные
процессы. Плоды с большим содержанием сахара высушивают до
более высокого содержания в них влаги - 20-25 %. Это связано с
тем, что при их обезвоживании возрастает осмотическое давление
среды, что в свою очередь воздействует на жизнедеятельность микроорганизмов.
Сушёные продукты имеют меньшую массу, занимают значительно меньший объём, имеют более высокую энергетическую цен177
ность по сравнению с продуктами свежими или консервированными другими способами. Это в значительной степени облегчает их
транспортирование и хранение. Вместе с тем в процессе сушки часто улетучиваются ароматические вещества, окисляются витамины
и некоторые другие вещества. Высушенный продукт не используют
без предварительной подготовки.
Существует несколько способов сушки. Сушка нагретым воздухом, или конвективная сушка, до сих пор является наиболее распространённой. Удаление влаги осуществляется подогретым воздухом
(80-120оС) в сушильных установках, состоящих из сушильной камеры и калорифера - подогревателя воздуха. В зависимости от конструкции камеры сушильные установки подразделяются на шкафные, карусельные, ленточные, канальные, распылительные и установки других типов.
Процесс сушки представляет собой комплекс взаимосвязанных
и одновременно протекающих процессов. К ним относятся нагрев
продукта в результате переноса тепла от нагретого воздуха к обезвоживаемому материалу, испарение влаги, перенос влаги с поверхности продукта в среду сушильной камеры, перенос влаги внутри
продукта.
Сушка протекает правильно в том случае, если скорость испарения влаги с поверхности продукта равна скорости переноса влаги
внутри него. При более высокой скорости испарения на поверхности высушиваемого продукта образуется корка, замедляющая процесс сушки, при медленном испарении продукт запаривается. Процесс сушки можно интенсифицировать, увеличивая поверхность
испарения, для чего сырьё измельчают.
Недостатком конвективной сушки является то, что она протекает сравнительно длительное время (в течении 3-10 часов) при
температуре 60-75оС, а это приводит к потерям компонентов химического состава (окисление витаминов, дубильных и красящих веществ, реакции меланоидинообразования), ухудшению вкуса, аромата и цвета высушенного продукта. Для снижения этих потерь и
предупреждения потемнения плодов и овощей при сушке их предварительно обрабатывают сернистым ангидридом либо бланшируют горячей водой или паром для инактивации ферментов. Недостатком является и то, что высушенные плоды и овощи плохо набухают и восстанавливаются до готового блюда при длительном кипячении (в течении 25-30 минут).
178
Современным способом обезвоживания является сушка в кипящем (псевдоожиженном) и виброкипящем слое. В обычных сушилках обезвоживание осуществляется в плотном слое в условиях, когда не вся поверхность продукта участвует в теплообмене. Процесс
сушки протекает медленно, при этом возможны перегревы отдельных участков слоя. Процесс обезвоживания значительно ускоряется
при перемешивании высушиваемого продукта.
Сушка в кипящем слое осуществляется следующим образом.
Через слой измельчённого зернистого продукта, находящегося на
сетке, продувают с определённой скоростью воздух. Слой вначале
разрыхляется, набухает, а затем переходит в состояние псевдоожижения, напоминающее кипящую жидкость. Вследствие интенсивного перемешивания и контакта отдельных частиц с нагретым воздухом происходит выравнивание температуры в объёме слоя, сокращается продолжительность сушки.
При сушке в виброкипящем слое происходит интенсивное перемешивание нарезанных кусочков продукта в результате одновременного воздействия вертикальных вибраций решетки и восходящего воздушного потока. Сушка в виброкипящем слое позволяет по
сравнению с сушкой в плотном слое в 2-3 раза уменьшить ее продолжительность и получить быстроразваривающиеся сушёные
овощи и плоды более высокого качества. В отечественной пищевой
промышленности внедрены в производство сушилки с кипящем
слоем для сушки дрожжей, подушки подсолнечника и др.
Рядом преимуществ по сравнению с конвективной обладает
микроволновая сушка с использованием энергии сверхвысокой частоты (СВЧ). В этом случае интенсификация процесса обезвоживания происходит вследствие проникающего эффекта микроволн и
высокого поглощения их молекулами воды. Ввиду повышения давления во внутренних слоях материала при превращении поглощённой энергии в тепло кусочки высушиваемых продуктов несколько
увеличиваются в объёме. В результате получается пористый сушёный продукт, способный быстро развариваться. Время, необходимое для восстановления сушёного продукта, составляет 10 минут.
Распылительная сушка используется для обезвоживания жидких продуктов. Жидкие или тонко измельчённые продукты попадают в распылительное устройство, которое с помощью форсунок и
дисков, вращающихся с большой скоростью, распыляет продукт и
превращает его в мельчайшие капельки. Распыление происходит
179
внутри большой сушильной камеры, в которую подаётся горячий
воздух. Частицы продукта встречаются с потоком нагретого до 140160оС воздуха и обезвоживаются. Сухой участок в виде порошка
осаждается в нижней части камеры. Продолжительность сушки в
распылительном состоянии измеряется секундами, благодаря чему в
пищевых продуктах почти полностью сохраняются даже термолабильные вещества - белки, витамины. Недостатком этого вида сушки является опасность окисления кислородом воздуха составных
частей продукта, находящегося в высокодисперсном состоянии.
Окислительные процессы можно предупредить, если сушить и хранить высушенный продукт в атмосфере инертного газа - азота или
углекислого. Сушка методом распыления широко применяется в
пищевой промышленности при производстве сухих молочных продуктов, меланжа, яичного белка, фруктовых и овощных соков, пюре, порошков.
Контактная сушка применяется для обезвоживания высоковлажных жидких и пюреобразных продуктов: молока, картофельного и овощного пюре. Сушка осуществляется при непосредственном
контакте жидкого продукта с нагретой поверхностью. При этом
способе обезвоживания продукт подаётся непрерывным потоком на
горячую поверхность барабана-вальца и высушивается за 4-12 секунд. Готовый продукт с помощью специальных скребков снимается с поверхности барабана в виде плёнки, а затем размельчается в
порошок. Недостатком этого способа сушки является то, что при
контакте компонентов продукта с нагретой поверхностью происходит денатурация белков, могут происходить процессы меланоидино- и карамелеобразования, значительны потери веществ.
Вакуумная сушка осуществляется в условиях разряжения при
сравнительно низких температурах, не превышающих 50оС, что
снижает потери термолабильных компонентов - белков, витаминов,
при этом полностью сохраняются органолептические свойства продукта. Так, при обычной сушке яиц потери витаминов составляют
30-50 %, при вакуумной - не превышают 5-7 %.
Сублимационная сушка основана на удалении влаги из замороженных продуктов путём возгонки (сублимации) воды, т.е. в результате непосредственного перехода льда в пар, миную жидкую фазу.
Сушка осуществляется в условиях глубокого вакуума (остаточное
давление 133-266 Па).
180
Протекает сушка в три стадии. На первой стадии происходит
быстрое замораживание продукта. Температура в массе продукта
резко понижается, достигая минус 17оС и ниже. Замораживание
происходит в течении 15-20 минут со скоростью 0,5-1,5оС в минуту.
На этой стадии продукта за счёт сублимации льда удаляется 10-15%
влаги. Обезвоживание материала во второй стадии происходит в
результате нагрева плит, на которых находятся высушиваемые продукты. При этом продукт не размораживается, кристаллы льда испаряются, минуя жидкую фазу, и он теряет до 80 % влаги. Продолжительность второй стадии зависит от вида и размеров сырья и колеблется от 10 до 20 часов. Третья стадия представляет собой тепловую вакуумную сушку, при которой из высушиваемого продукта
удаляется оставшаяся адсорбционно-связанная влага. Продолжительность этой стадии составляет 3-4 часа. Длительность процесса
может быть сокращена, если сублимационная сушка будет осуществляться в поле СВЧ. Высушенный продукт имеет влажность 36 %, его расфасовывают в герметично закрытую тару.
Сублимационная сушка сочетает два способа консервирования:
замораживание продукта и его высушивание в замороженном состоянии, поэтому микроструктура, объём, свойства и состав продукта сохраняются почти полностью. Продукт обладает хорошей
пористостью, при обводнении быстро восстанавливает первоначальный вид и свойства, может длительное время сохраняться при
положительных температурах, в результате чего резко снижается
стоимость его хранения. Кроме того, такие продукты могут продаваться на торговых предприятиях, не обеспеченных холодильными
установками.
Недостатком сублимационной сушки является то, что при хранении в продуктах ввиду их большой контактной поверхности протекают окислительные процессы. Окислительным реакциям подвергаются липиды, пигменты, витамины, ароматические вещества, что
в конечном итоге приводит к нежелательным изменениям вкуса и
запаха, а также снижению биологической ценности продукта. Замедлить окислительные процессы можно, упаковывая высушенные
продукты в атмосфере инертного газа или под вакуумом.
Перед использованием продукты сублимационной сушки должны быть подвергнуты регидратации - обводнению. Для этого их
помещают в тёплую воду (20-30оС) или растворы веществ, улучшающие органолептические показатели и пищевую ценность продук181
та. При регидратации поры быстро заполняются водой, а затем
начинается процесс взаимодействия воды с основными компонентами пищевых продуктов. Продолжительность регидратации от 1 до
20 минут в зависимости от состава и свойств продукта.
Сублимационная сушка используется для обезвоживания продуктов растительного и животного происхождения.
Радиационная сушка осуществляется путём передачи тепла инфракрасными лучами, использование этого способа сушки позволяет интенсифицировать процесс обезвоживания за счёт увеличения
теплового потока на поверхности высушиваемого материала и способности ИК-излучения проникать на некоторую глубину. Энергия
ИК-излучения превращается в тепло только в случае поглощения её
облучаемым предметом.
Лучшие результаты получаются при использовании конвективно-радиационного метода, при котором сочетается обработка продукта инфракрасными лучами с сушкой нагретым воздухом.
В стадии изучения находится способ конвективнорадиационной сушки в кипящем и виброкипящем слое.
Перспективной является сушка овощных и фруктовых паст, пюре, соков во вспененном состоянии. Сущность этого способа состоит в том, что пюреобразный продукт взбивают в стойкую пену в
присутствии пеностабилизирующих веществ и высушивают до содержания влаги 2-4 %. Пену сушат различными способами: радиационным, конвективным и др. Продолжительность сушки состаяляет 3-20 минут. Высушенный продукт измельчают, просеивают и
упаковывают в герметичную тару. По качеству вырабатываемого
продукта этот способ конкурирует с сублимационной и вакуумной
сушками, но при этом значительно их дешевле.
Перспективной является сушка плодов осмотическим обезвоживанием. Сущность её состоит в том, что кусочки плодов выдерживают в концентрированном тёплом сахарном сиропе. При этом происходит переход воды из клеток плодов в окружающую среду (явление осмоса). Переход же сахара из сиропа в клетку незначителен.
Хорошо поддаются осмотическому обезвоживанию нарезанные
фрукты. Концентрация сахара в сиропе должна быть не менее 70 %.
По окончании процесса плоды отделяют от сиропа и досушивают
до содержания в них влаги 10%. Высушенные плоды отличаются
хорошим ароматом, имеют светлую окраску и могут быть использованы как готовое десертное блюдо.
182
Близким к сушке является метод концентрирования жидких пищевых продуктов, основанный на частичном удалении влаги при
нагревании до 40-60оС в вакуум-аппаратах. При сгущении жидких
пищевых продуктов в них накапливаются вещества, повышающие
осмотическое давление и задерживающие развитие микроорганизмов. Этот метод консервирования лежит в основе получения сгущённого молока, томата-пасты, концентрированных плодовоягодных соков, паст, экстрактов.
Существует и другой способ получения концентрированных соков - вымораживание влаги. Этот способ основан на том, что при
замораживании вымерзает растворитель (вода), а экстрактивные
вещества (сахар, кислоты, соли) не кристаллизуются, а остаются в
растворе. Сок замораживают при температуре минус 10-12оС, образовавшиеся кристаллы льда отделяют на центрифуге. Вымораживание влаги и отделение льда повторяют 2-3 раза. Полученный концентрированный сок богат эфирными маслами и отличается высоким качеством. Концентрация сухих веществ сока после его вымораживания не превышает 50 %.
Вяление - частичный случай применения сушки. Этот способ
консервирования основан на медленном обезвоживании в естественных условиях предварительно посоленных мясных и рыбных
продуктов. Процесс вяления длится от 10 до 30 суток при температуре 10-25оС. При вялении под действием солнечного света, воздуха
и медленного обезвоживания в тканях продукта протекают сложные
физические и биохимические процессы. Происходит частичная денатурация белков, мышечная ткань уплотняется, пропитывается
жиром, приобретая янтарно-жёлтый цвет, и становится полупрозрачной. Одновременно протекают окислительные процессы. Происходит созревание продукта, он приобретает приятные специфичные вкус и запах. Вялят воблу, тарань, деликатесные балычные изделия из осетровых и лососевых рыб. Содержание влаги в вяленых
продуктах должно быть не более 38-45 %.
Как ранее отмечалось, консервирование возможно под воздействием высоких концентраций осмотического давления. Осмотически активными являются такие вещества, которые не могут проникнуть через ультрамикроскопические поры биологических мембран
растительных клеток. Вследствие этого при погружении биологической ткани в раствор осмотически активных веществ диффузионный процесс выравнивается концентрацией веществ, содержащихся
183
внутри и вне клетки, происходит за счет перемещения молекул растворителя - воды, т.е. путем осмоса. Осмотическое давление Р, вызываемое веществами, определяется по уравнению:
Р=
G
M
RT ,
(4.3)
где G - концентрация раствора осмотически активного вещества,
г/дм3;
М - относительная молекулярная масса вещества;
R - молярная газовая постоянная, R=8,31 Дж ;
моль К
Т - абсолютная температура, К
Из уравнения (4.3) следует, что возникающее осмотическое давление будет тем выше, чем больше массовая концентрация и чем
меньше его молекулярная масса.
Инактивированные под действием плазмолиза микроорганизмы
не способны вызывать порчу пищевых продуктов. На этом способе
основано консервирование пищевых продуктов, например, поваренной солью и сахаром, в результате чего происходит обезвоживание клеток микроорганизмов и прекращается их жизнедеятельность. Микроорганизмы обладают различной устойчивостью к повышению осмотического давления. Некоторые бактерии, например
Bact. gummosum, могут развиваться в 18-20 %-ом растворе поваренной соли или в 70 %-ом сахарном сиропе. Галофильные бактерии хорошо развиваются в 25-30 %-ом рассоле.
Поваренную соль в концентрациях 8-14 % используют для консервирования рыбы, мяса, овощей и некоторых других продуктов.
Различают следующие способы посола: сухой, когда продукт обрабатывают сухой солью, мокрый - водным раствором поваренной
соли и смешанный - комбинирование сухого и мокрого способов. В
зависимости от температуры, при которой солят продукт, различают посол холодный (от 0 до 10оС), охлаждённый (0-5оС) и тёплый
(10оС и выше).
При посоле происходит диффузионно осмотический обмен, изменяются консистенция и структура продукта, формируются его
специфические вкус и аромат, происходят также потери белковых
веществ в результате их перехода в рассол, а также вследствие их
гидролитического распада, что приводит к понижению пищевой
184
ценности и ухудшению органолептических свойств продукта. В некоторых случаях посол является одним из целесообразных способов
консервирования, например, сельдевых и лососевых рыб, т.к. при
этом значительно улучшаются и вкусовые достоинства. При посоле
свинины также наблюдается образование специфического вкуса и
аромата ветчинности.
Поскольку поваренная соль влияет на вкус пищевых продуктов,
содержание её для многих изделий устанавливается в пределах 2,56 %. В этом случае консервирующий эффект достигается сочетанием посола с другими видами консервирования: охлаждением, копчением, сушкой и т.д.
Сахароза в концентрации не менее 65 % применяют для консервирования при изготовлении варенья, джема, повидла, желе, сиропов и др. При получении этих продуктов избыток влаги удаляют
выпариванием, в результате чего ещё больше повышается осмотическое давление. Однако при этом частично разрушаются витамины, и снижается ценность продукта.
Биохимические методы консервирования
Одним из наиболее распространенных способов получения консервированных продуктов является их биохимическая обработка
(квашение, соление, мочение). По мнению профессора Б.Л.
Флауменбаума, принципиальной разницы между ними нет. В зависимости от вида консервируемого сырья процесс называют квашением (капусты), солением (огурцов, томатов, арбузов и др.) или мочением (яблок, груш, слив).
Квашение - консервирование плодов, овощей и грибов молочной кислотой, образующейся в результате сбраживания сахаров
продукта молочнокислыми бактериями. Образующаяся молочная
кислота уже в концентрации 0,5 % тормозит развитие многих вредных микроорганизмов, но не задерживает развитие дрожжей и плесеней, а свыше 1 % - прекращается действие молочнокислых бактерий.
Одновременно с образованием молочной кислоты в квашеных
овощах накапливается этиловый спирт, который также оказывает
консервирующее действие. В квашеной капусте и солёных огурцах
количество его не превышает 0,5-0,7 %, что не препятствует разви185
тию молочнокислых бактерий, но заметно улучшает вкус готовой
продукции. В мочёных яблоках содержание его достигает 0,8-1,8 %.
Поваренная соль, используемая при солении и квашении, в количестве 2-6 % вызывает плазмолиз растительных клеток, способствует переходу в рассол клеточного сока, богатого сахаром и тем
самым стимулирует процессы брожения. Кроме того, она подавляюще действует на многие микроорганизмы, прежде всего, на маслянокислые бактерии и группы Е. coli. Соль также участвует в
формировании вкуса квашеных овощей.
Активность процесса брожения зависит от начального содержания сахара в продукте, концентрации соли, температуры окружающей среды и вида молочнокислых микроорганизмов. Температуру
брожения поддерживают от 18 до 25оС. В дальнейшем заквашенный
продукт хранят при более низких температурах (от 0 до 2оС) в анаэробных условиях, чтобы предупредить развитие уксуснокислых
бактерий и плесеней, на которые не влияет молочная кислота.
Для улучшения качества квашеных продуктов, ускорения процесса брожения и предупреждения развития вредных микроорганизмов применяют чистые культуры молочнокислых бактерий.
Комбинированные методы консервирования
К таким методам консервирования относят копчение. Этот способ обработки мясных или рыбных продуктов дымом, получаемом
при неполном сгорании древесины, с целью повышения стойкости
изделий при последующем хранении и придании им особых вкусовых свойств. Копчение можно рассматривать и как сушку, т.к. в результате испарения воды происходит обезвоживание продукта.
Консервирующее действие оказывает при этом и поваренная соль,
если она используется для обработки продуктов перед копчением.
Состав дыма зависит от способа получения и породы сжигаемой
древесины. Наилучшими технологическими свойствами отличается
коптильный дым, получаемый при неполном сгорании древесины
лиственных пород. Коптильные вещества дыма обладают бактерицидным действием, являются хорошими антиокислителями, характеризуются специфическими вкусом и ароматом. Коптильный дым
- это сложная по составу дисперсная система типа аэрозоля. Дисперсионной средой является парогазовая смесь, а дисперсная фаза
представлена частицами жидких и твёрдых веществ - продуктов
неполного сгорания древесины. В дыме содержится формальдегид,
186
фурфурол, метиловый спирт, многие кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая), ацетон и другие кетоны,
фенолы и метиловые эфиры, различные смолы и др.
Процесс копчения происходит в две фазы: осаждение коптильных веществ на поверхности и последующий перенос их к центральной части продукта. Глубина их проникновения зависит от
продолжительности и температуры копчения, свойств и состояния
продукта и некоторых других факторов.
Бактерицидный эффект коптильных веществ обусловлен, главным образом, формальдегидом, содержащимся в дыме в значительном количестве. Наибольшей антиокислительной активностью отличаются фенольные компоненты дыма - производные пирогаллола,
пирокатехина.
Вкус и аромат копчёных изделий обусловлен наличием в коптильном дыме органических кислот, ароматических альдегидов и
кетонов, фенолов и некоторых других соединений. Изменение цвета
продукта при копчении связано, с одной стороны, с осаждением
окрашенных компонентов дыма на поверхности, а с другой,- с химическим взаимодействием коптильных веществ друг с другом, с
составными частями продукта или кислородом воздуха; при этом
происходят реакции меланоидинообразования, конденсации, полимеризации и окисления.
В зависимости от режима различают копчение горячее (при температуре выше 80оС) и холодное (при температуре до 40оС).
Горячее копчение применяют при изготовлении варёных колбасных изделий, некоторых рыбных продуктов. Продолжительность
обработки зависит от диаметра колбасных батонов и температуры
дыма (60-110оС) и колеблется в среднем от 40 минут для сосисок,
до 2 часов для варёных колбас большого диаметра. В результате
сравнительно недолгого времени копчения в изделие попадает немного коптильных веществ, и они проникают на небольшую глубину. Продукты горячего копчения содержат много воды, имеют
ограниченный срок реализации и должны храниться при низких
температурах.
Холодное копчение используют при производстве сырокопчёных изделий из мяса и солёной рыбы. В этом случае продолжительность обработки длится от одних до нескольких суток при температуре 18-22оС. Изделия за длительное время копчения обезвожива-
187
ются, и содержание влаги в них не превышает 60%. Хранят сырокопчёные изделия несколько месяцев.
Помимо горячего и холодного копчения в пищевой промышленности применяют электростатическое и бездымное (жидкостное) копчение. Принцип электростатического копчения состоит в
том, что продукт помещают в электрическое поле высокого напряжения, присоединив его к положительному электроду, и подвергают воздействию ионизированного дыма. Отрицательно заряженные
частицы дыма движутся по направлению к положительному электроду и осаждаются на поверхности продукта (грудинка, корейка,
окорок, колбасы, рыба и т.д.). Тонкодисперсные продукты коптильного дыма диффундируют в массу продукта, в результате чего он
приобретает специфичные аромат и вкус копчения. Процесс электрокопчения при средней плотности дыма проходит быстро - всего
за 2-5 минут. Однако существенными недостатками этого способа
являются низкие вкусовые качества копчёных изделий, сложность
оборудования, наличие токсичных веществ в продукте. Поэтому
этот способ копчения широко не применяется.
Сущность «бездымного», или «жидкостного копчения» состоит
в том, что коптильные препараты вводят в продукт при посоле либо
наносят на его поверхность разбрызгиванием или распылением.
Коптильные препараты почти не содержат вредных для организма
человека веществ, находящихся в коптильном дыме, например, 3,4бензпирена, и не обладают токсичным действием. Как правило, эти
препараты представляют собой водные конденсаты компонентов
дыма. Их подвергают различной обработке (отгону, нейтрализации,
селективному экстрагированию) и получают коптильную жидкость
(водный раствор) или препарат (вязкую жидкость, порошок). Перед
употреблением коптильные препараты разводят водой в соотношении 1:7 или 1:9. Обрабатывают продукт путём погружения их в раствор коптильной жидкости на 10-50 секунд. Иногда используют
комбинированный способ копчения. При этом продукт, предварительно обработанный коптильным препаратом, дополнительно подкапчивают дымом.
Коптильные препараты позволяют ускорить выработку копчёных изделий, однако они не обеспечивают полностью того аромата,
вкуса и цвета, которые имеют продукты, копчёные дымом. Кроме
того, эти препараты оказывают более слабое бактерицидное и антиокислительное действие.
188
К продуктам комбинированного консервирования относят также
пресервы. Этот особый вид рыбных консервов, герметически укупоренных, но не стерилизованных. Консервирующий эффект в пресервах достигается совместным действием различных факторов:
соления, маринования, действием фитонцидов пряностей и др. Иногда для повышения стойкости пресервов в них добавляют бензойнокислый натрий. Готовят их из мелкой свежей или солёной рыбы:
кильки, салаки, сельди и др. Содержание соли в пресервах колеблется в пределах 6-12 %, а кислотность - 0,6-1,2 %. Пресервы имеют
ограниченный срок реализации и должны храниться при пониженных температурах.
Обобщая вышеизложенный материал необходимо отметить, что
физико-химические и биохимические изменения, происходящие с
продуктами питания в результате их консервирования, целесообразно оценить с точки зрения изменения пищевой и биологической
ценности, поскольку они оказывают решающее влияние на структуру (консистенцию), внешний вид, вкус и аромат. В результате технологической обработки происходят потери: обязательные (очистка, жиловка, мойка и т.д.); неизбежные (стерилизация, варка и т.д.)
и случайные (при нарушении технологического процесса). При
этом следует учитывать, что большинство консервированных продуктов уже готовы к употреблению, т.е. дополнительные потери
при кулинарной обработке перед потреблением почти не возникают. При технологической обработке сырья изменяется качественный и количественный состав витаминов, белков, углеводов, жиров,
минеральных и органических кислот и других веществ, что приводит к снижению пищевой ценности продукта. Однако технологическая обработка при консервировании может разрушать антиалиментарные вещества, улучшать консистенцию, повышая пищевую ценность.
Контрольные вопросы и задания
1. Кто предложил классификацию способов консервирования?
2. Какие причины снижают хранимоспособность сырья и продуктов?
3. Охарактеризуйте основные принципы консервирования.
4. К какому методу консервирования относится обеспложивающее фильтрование?
5. Чем пастеризация отличается от стерилизации?
6. Что такое радапертизация?
189
7. Приведите характеристику основных методов замораживания.
8. Что такое флюидизация?
9. Раскройте сущность СВЧ-, УВЧ-, УФЛ-способов консервирования.
10.
При какой температуре целесообразно хранить большинство продуктов?
11. В чем отличие антибиотиков от консервантов?
12. Дайте характеристику основным антибиотикам.
13. Приведите характеристику основных способов сушки.
14. Раскройте сущность биохимических методов консервирования.
15. Что такое копчение? Чем копчение отличается от вяления?
16. Как изменяется пищевая ценность продуктов при консервировании?
17. В каких концентрациях сахароза и углекислый газ сдерживают развитие микроорганизмов?
18. Оцените перспективы развития консервной промышленности.
Глава пятая
СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ
Как отмечалось в третьей главе, проблема обеспеченности продуктами питания во все времена являлась одной из самых важных
проблем, стоящей перед человеческим обществом. Человечество
испытывало и продолжает испытывать дефицит продуктов питания.
Однако простое увеличение потребления пищи не может решить
всех проблем, связанных с питанием. Оно должно быть рациональным, соответствовать основным положениям науки о питании, которые необходимо учитывать при разработке стратегии развития
пищевой промышленности.
Исходя из этого, проблема здорового питания населения имеет
важное социально-экономическое значение. Научные представления о специфике ассимиляции пищевых веществ получили свое вы190
ражение в концепции сбалансированного питания, которая предусматривает качественные взаимосвязи и оптимальные количественные соотношения и особенности взаимодействия основных пищевых веществ при поступлении в организм человека.
Организованный институтом питания РАМН мониторинг состояния питания свидетельствует о том, что структура питания населения в последнее время не соответствует концепции сбалансированного питания. Ведущим по степени негативного влияния на здоровье является дефицит животных белков, растительных жиров и
микронутриентов, что приводит к ослаблению сопротивляемости
организма воздействию неблагоприятных факторов окружающей
среды. Это указывает на необходимость совершенствования научно-практических подходов к созданию продуктов питания.
Создание новых технологий позволило выделить направление
по разработке так называемых «функциональных продуктов». Нынешнее развитие мирового рынка функционального питания подобно лавине, о чем красноречиво указывают следующие данные: в
1995 г. объем продаж продуктов «для здоровья» составил 10 млрд
долларов США, в 2000 г. - 15 млрд долларов, а к концу 2002 г. - 33
млрд долларов. Предполагается, что к 2010 г. Объем продаж в Европе превысит 30 % реализуемых продуктов питания. Так, например, рост рынка функциональных молочных продуктов в России
составляет не менее 25-30% в год и обгоняет рост всего молочного
рынка России в целом в 3 раза. Превышение цен функциональных
молочных продуктов по сравнению с ценами на обычные в настоящее время составляет 8-10 %, на Западе - 25-30 %.
К основным причинам интенсивного роста и развития продуктов функционального назначения относятся: растущие расходы на
здравоохранение, старение населения в большинстве развитых
стран, осознание необходимости следить за своим здоровьем.
Общие вопросы создания
функциональных продуктов
Формирование научных представлений о питании и роли пищевых веществ в процессах жизнедеятельности началось в середине
XIX в. с появлением классической парадигмы питания, становле191
нию которой предшествовал ряд научных открытий, непосредственно или опосредованно связанных с питанием. К ним относятся
открытие витаминов, ионов микроэлементов, научные достижения,
связанные с выяснением структуры белков, жиров, углеводов и
нуклеиновых кислот, роли микроэлементов в жизнедеятельности
организма, структуры и организации биологических систем, научные данные, связанные со строением организма на клеточном
уровне. Впервые за всю историю эволюции цель питания стали связывать со здоровьем человека.
Концентрированным выражением классической парадигмы явилась окончательно сформировавшаяся в XX в. теория сбалансированного питания, в основе которой лежат три главных положения:
при идеальном питании приток веществ точно соответствует их потере; приток питательных веществ обеспечивается путем разрушения пищевых структур и использования организмом образовавшихся органических и неорганических веществ; энергетические затраты
организма должны быть сбалансированы с поступлением энергии.
Согласно этой теории, нормальное функционирование организма обеспечивается при его снабжении не только необходимыми
энергией и белком, но также при соблюдении определенных соотношений между многочисленными незаменимыми факторами питания, каждый из которых выполняет свою специфическую функцию
в обмене веществ. В основе теории сбалансированного питания лежит определение пропорций отдельных пищевых веществ в рационе, отражающих сумму обменных реакций, которые характеризуют химические процессы, обеспечивающие в итоге жизнедеятельность организма. Исходя из формулы сбалансированного питания,
полноценный рацион должен содержать питательные вещества пяти
классов: источники энергии: белки, жиры, углеводы; незаменимые
аминокислоты; витамины; незаменимые жирные кислоты; неорганические элементы.
В 80-х годах XX в. сформулирована новая теория питания,
представляющая собой развитие теории сбалансированного питания
с учетом новейших знаний о функциях балластных веществ и кишечной микрофлоры в физиологии питания. Эта теория, автором
которой явился российский физиолог академик РАМН А.М. Уголев,
названа «теорией адекватного питания». В ее основу положено
четыре принципиальных положения:
192
- пища усваивается как поглощающим ее организмом, так и
населяющими его бактериями;
- приток нутриентов в организме обеспечивается за счет извлечения их из пищи и в результате деятельности бактерий, синтезирующих питательные дополнительные вещества;
- нормальное питание обусловливается не одним, а несколькими
потоками питательных и регуляторных веществ;
- физиологически важными компонентами пищи являются балластные вещества, назвающиеся «пищевыми волокнами».
Теория адекватного питания формулирует основные принципы,
обеспечивающие рациональное питание, в котором учитывается
весь комплекс факторов питания, взаимосвязи этих факторов в обменных процессах и соответствие ферментных систем организма
индивидуальным особенностям протекающих в нем химических
превращений.
Впервые функциональные продукты (FOSHU - «food for specified health use» - специфические продукты питания, применяемые
для улучшения здоровья) появились в Японии в 1980-1985 гг. Термин объединял продукты естественного происхождения, которые
при систематическом потреблении, в отличие от продуктов рационального питания, оказывали положительное влияние на органы
человека или их функции, или организм в целом.
До 1990-х годов идея функционального питания для всего мира
была всего лишь «причудой», ограниченной пределами Японии, в
дальнейшем основные принципы концепции функционального питания взяты на вооружение в развитых и развивающихся странах
мира (Германии, Франции, Финляндии, Швеции, США, Канаде, Китае, Корее). Как результат - очевидное улучшение состояния здоровья населения на фоне ухудшения экологии.
Японские исследователи, основоположники концепции функционального питания, определяют три основных качества продуктов
данного назначения: пищевая ценность, вкусовые качества и физиологическое воздействие на организм. Согласно названной совокупности свойств, функциональные пищевые продукты рассматриваются не только как источник пластических веществ и энергии, но
и как сложный комплекс, который обеспечивает достоверно проявляющийся лечебный эффект. В то же время продукты функционального питания не относятся к категории лекарственных препаратов и лечебной пищи, хотя и используются для улучшения функци193
онирования систем организма и повышения качества здоровья человека. Известно, что к лечебным относятся продукты специального назначения, используемые в качестве лечебного приема в комплексной терапии заболеваний. Они характеризуются измененным
химическим составом и физическими свойствами. Следовательно, в
структуре питания современного человека функциональные продукты занимают среднее место между обычными продуктами, изготовленными по традиционным технологиям, и продуктами лечебного питания. Вместе с тем, функциональные продукты можно условно отнести к группе лечебно-профилактических, предназначенных
для лиц, подвергающихся воздействию неблагоприятных факторов.
Важно отметить, что эти требования относятся к продукту в целом,
а не только к отдельным его ингредиентам.
Директор НИИ питания РАМН академик В.А. Тутельян назвал
продукты функционального питания продуктами с заданными свойствами, обогащенными эссенциальными пищевыми веществами и
микронутриентами. Развернутая формулировка дана одним из ведущих специалистов по функциональному питанию Б.А. Шендеровым: «Продукты функционального питания - это такие продукты
естественного или искусственного происхождения, которые предназначены для систематического ежедневного употребления и оказывают регулирующее действие на физиологические функции, биохимические реакции и психосоциальное поведение человека через
нормализацию его микроэкологического статуса».
Функциональные пищевые продуты - это продукты, которые
оказывают потенциально благотворное воздействие на здоровье,
когда они употребляются как часть разнообразного питания на регулярной основе и в эффективных дозах. Благотворное воздействие
функциональных продуктов обусловлено присутствием в них определенных функциональных ингредиентов, перечень которых многообразен. Физиологическое воздействие функциональных пищевых композиций может заключаться в улучшении процесса пищеварения, иммуностимуляции, антиканцерогенном действии, гепатопротекции, снижении содержания холестерина в крови, улучшении
состояния гипертоников, улучшении состояния костей и зубов за
счет специальных минеральных добавок и т.д.
Первоначально по классификации японских ученых принадлежность к функциональным продуктам устанавливали по наличию в
них бифидобактерий, олигосахаридов, пищевых волокон. В после194
дующем перечень ингредиентов был расширен и стал включать
пищевые волокна, олигосахариды, сахароспирты, протеины, пептиды и аминокислоты, гликозиды, спирты, изопреноиды, витамины,
холины, бифидо- и молочнокислые бактерии, минеральные элементы, полиненасыщенные жирные кислоты, фитопрепараты, антиоксиданты и т.д.
В Европе в Международном институте науки о жизни (ILSI) в
1998 г. сформулировали рабочее определение функциональных
продуктов: «…пищевой продукт можно считать «функциональным», если он достаточно убедительно продемонстрировал благоприятное воздействие на одну или более заданных функций организма, кроме адекватного питательного эффекта, таким образом,
что состояние здоровья улучшилось и/или снизился риск заболеваемости». Согласно этому определению функциональные пищевые
продукты должны оставаться продуктами питания (не таблетки или
капсулы, а часть нормального питания). В Европейском союзе
функциональные продукты подразделены на два типа: тип А - усиление функций организма; тип Б - снижение риска заболеваемости.
По теории Д. Поттера, на современном рынке представлены ингредиенты, которые могут быть разделены на семь основных групп:
пищевые волокна, витамины (С, группа В, D), минеральные вещества (кальций, железо), липиды, содержащие полиненасыщенные
жирные кислоты, антиоксиданты, олигосахариды, некоторые виды
полезных микроорганизмов (пробиотиков).
Производство продуктов функционального питания занимает
все более заметное место в пищевой промышленности развитых
стран и постоянно контролируется государственными органами
здравоохранения. Функциональные продукты выпускают как в виде
привычных для потребителей изделий, так и в виде сиропов, сухих
завтраков или других полуфабрикатов.
В современных публикациях высказывается мнение о том, что в
связи с появлением на российском рынке большого количества
продукции, производимой в странах Западной Европы, а также в
связи с использованием отечественными производителями различного рода добавок и растительных компонентов ассортимент продуктов на основе традиционных значительно увеличился. Это требует упорядочения его номенклатуры в соответствие с международными документами и, в первую очередь, с «Codex Alimentarius».
Достижение намеченного возможно лишь с учетом современных
195
требований науки о питании, а также трансформации классической
теории адекватного питания, которая обновляется благодаря развитию гигиены питания.
Н.Н. Липатов (мл.) классифицирует комбинированные продукты на три группы (поколения): продукты, приближенные по органолептическим показателям к традиционным, однако часть основного сырья заменена гидратированными, эквивалентными по содержанию белка компонентами; продукты, удовлетворяющие потребности в эссенциальных нутриентах; продукты, обеспечивающие материальный и энергетический баланс в организме человека.
Сырье, используемое для получения комбинированных продуктов, должно отвечать следующим требованиям: балансировать все
или отдельные компоненты в соответствии с теорией сбалансированного питания; гарантировать гигиеническую безопасность получаемого продукта; не придавать продуктам выраженных вкусов,
ощущений и запахов; обеспечивать получение продукта с высокими
органолептическими показателями; обогащать продукт биологически активными веществами.
Источники такого сырья весьма разнообразны. Условно их
можно разделить на шесть основных групп.
К первой группе следует отнести плодово-ягодные и овощные
добавки, применяемые в натуральном виде, а также в виде сиропов,
концентратов или сухих смесей. Эти добавки позволяют отрегулировать содержание в продуктах витаминов, углеводов, минеральных
веществ, пищевых волокон. Кроме того, они, как правило, придают
продуктам выраженный вкус и аромат фруктов или овощей, а также
привлекательный внешний вид.
Вторую группу составляют продукты морских промыслов. Следует отметить, что эта группа представляет собой весьма большой
резерв для создания разнообразных комбинированных продуктов на
молочной основе. Использование рыбы и рыбных продуктов позволяет регулировать в них белковый и липидный состав, относительное содержание свободных аминокислот, жирнокислотный состав,
содержание йода, фтора, калия, а также органических кислот.
В особую группу следует выделить дикорастущее растительное
сырье (съедобные виды папоротника, грибы, калину, шиповник,
боярышник, крапиву и другие растения). Как правило, они содержат
биологически активные вещества профилактического назначения
(флавоноиды, дубильные вещества, пектины, органические кисло196
ты, витамины, алкалоиды, эфирные масла, микроэлементы и другие
соединения). Природные запасы такого сырья весьма значительны и
вполне могут удовлетворить потребности промышленности.
К четвертой сырьевой группе следует отнести бобовые и злаковые культуры. Особенно перспективным является использование
продуктов переработки сои. С их использованием можно вырабатывать практически все продукты. Применение сои позволяет регулировать белковый и липидный обмен, а также влиять на соотношение
в них свободных жирных кислот.
Основная проблема, возникающая при использовании растительных полифункциональных добавок природного происхождения,
заключается в нестабильности количественного и качественного
состава вносимых с ними биологически активных веществ. Данная
проблема усугубляется еще и тем, что химический состав одних и
тех же растений, животных, а также различных видов минерального
сырья может сильно варьировать в зависимости от целого ряда факторов окружающей среды, способов переработки и хранения. Это
создает серьезные трудности в обеспечении реального содержания
вносимых биологически активных веществ в обогащаемом продукте на одном и том же регламентируемом уровне.
Отдельную группу компонентов, используемых при выработке
комбинированных продуктов, составляют биологически активные
вещества. На первостепенную важность разработки и организации
массового производства продуктов с биологически активными веществами указывает их постоянный дефицит в рационах населения.
Особенно такие продукты необходимы для регионов, неблагополучных в экологическом отношении. Увеличение в продуктах биологически
активных
веществ
придает
им
лечебнопрофилактические свойства.
К перспективным следует отнести сырье микробного синтеза
(шестая группа). Это один из нетрадиционных способов получения
пищевых продуктов, связанный с биосинтезом микроорганизмов.
Считается, что в будущем он способен ликвидировать одну из важнейших продовольственных проблем - белковый дефицит.
Наличие большого количества разнообразных пищевых компонентов, применение которых возможно при производстве комбинированных продуктов питания указывает на необходимость четкого
научного подхода к их выработке. На базе современных представлений науки о питании сформулированы основные принципы про197
ектирования многокомпонентных пищевых продуктов. Этими
принципами следует руководствоваться при практической реализации подходов по созданию многокомпонентных продуктов.
На начальном этапе формулируется техническое задание, включающее основные требования к составу, свойствам, органолептике,
пищевой и биологической ценности проектируемого продукта. Второй этап включает поиск необходимых ингредиентов и их сочетаний, позволяющих реализовать требования технического задания.
При этом учитывают экономические показатели. Следующий этап
заключается в отработке технологии получения нового продукта.
На этом этапе устанавливаются способы и режимы подготовки отдельных ингредиентов к переработке, а также основные технологические параметры выработки и хранения нового продукта. В последующем проводится изучение состава и свойств вновь полученного
продукта и определяется его соответствие заданным параметрам.
При наличии отклонений в составе или свойствах проводится корректировка рецептур и технологических параметров до полного соответствия продукта заданным характеристикам. Заключительным
этапом создания нового комбинированного продукта является разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов работы в практику.
В табл. 5.1 в качестве примера приведено использование компонентов молока для создания функциональных продуктов. Как можно заметить, среди потенциально активных компонентов наиболее
интересными считаются те, которые содержатся в сыворотке, даже
если их концентрация очень незначительная. Исключение составляют иммуноглобулины из молозива.
Таблица 5.1
Компоненты молока, используемые для функциональных
продуктов (цитировано по Х. Корхонену)
Компонент
Источник
Антимикробиальные и противо- Сыворотка из молозива, подсырная сывоспалительные вещества
воротка, оболочки жировых шариков
Биоактивные пептиды
Казеины, сывороточные белки, ферментированные сыры напитки
Антитела (иммуноглобулины)
Сыворотка из молозива, подсырная сыворотка, обезжиренное молоко
Сывороточные белки и их гидро- Подсырная, кислая и сухая сыворотка
198
лизаты
Факторы роста
Линоленовая кислота
Минеральные соли
Сыворотка из молозива
Молочный жир
Кислая сыворотка, кисломолочные продукты, сыры
Органические кислоты и их соли Сыворотка
К нетермическим процессам относятся: сепарирование с помощью мембран, высокое гидростатическое давление, высокоинтенсивные пульсирующие поля, облучение Х-лучами, ультразвук, колебательные магнитные поля и суперкритическая экстракция жидкости газами. Новые термические процессы включают, например,
инфракрасные микроволновые и радиочастотные, омические и индуктивные методы.
Моделирование состава и свойств продуктов
с целью придания им функциональных свойств
В природе не существуют продукты, которые содержали бы все
необходимые человеку компоненты, поэтому только комбинация
разных продуктов лучше всего обеспечивает организму доставку с
пищей необходимых физиологически активных компонентов. В результатах научных исследований ведущих отечественных ученых
сформулированы принципы и формализованные методы проектирования рациональных рецептур продуктов питания с заданным
комплексом показателей пищевой ценности.
Академиком РАСХН Н.Н. Липатовым (мл.) предложен подход к
проектированию многокомпонентных продуктов, учитывающий
специфику индивидуальных особенностей организма. Придерживаясь основной концепции рационального питания, по его мнению,
задача оптимизации рецептур состоит в подборе таких компонентов
и определении их соотношений, которые обеспечивают максимальное приближение массовых долей нутриентов к персонифицированным эталонам. Исходт из предположения, что все виды механической обработки сырья, связанные с приготовлением рецептурных смесей, приданием отдельным компонентам требуемой дисперсности или необходимых реологических свойств, не нарушают
принципа суперпозиции в отношении биологически важных пище199
вых веществ исходных ингредиентов. Затем получают расчетную
информацию о массовых долях белков, липидов, углеводов, минеральных веществ, витаминов. Для проектирования и оценки возможно большего количества комбинаций исходных компонентов
при разработке рецептур новых поликомпонентных пищевых продуктов создана система компьютерного проектирования, позволяющая пользоваться банком данных о составе компонентов.
Проектирование функциональных продуктов должно выполняться с использованием следующих методических принципов:
- формирование физиологической ценности продукта как продукта функционального питания;
- обеспечение функциональной совместимости физиологической добавки с основными компонентами пищевых систем;
- сохранение нативных свойств или физиологической активности добавок в процессе технологической обработки;
- улучшение потребительских свойств продуктов в результате
введения в рецептуру предлагаемых добавок;
- обеспечении идентификации вводимых добавок с определенной биологической активностью (химической природой, содержанием и т.п.).
Разработка продуктов, отвечающих заданным требованиям, заключается в обеспечении сбалансированного химического состава и
удовлетворительных потребительских характеристик. Оптимизация
параметров разрабатываемого продукта проводится путем моделирования рецептуры с использованием интегрального критерия сбалансированности по показателям качества. Моделирование рецептур сводится к нахождению некоторой области G-многофакторного
n-мерного пространства Rn, отвечающей ограничениям, поставленным целью проектирования. В конкретном случае в качестве многомерного пространства может выступать линейная форма вида:
m n
F(X1,…,Хn)= ∑ ∑ CiXk,
i=1 k=1
где n - количество ингредиентов в рецептуре;
m - количество компонентов в i-ом ингредиенте продукта;
Xk - k-ый ингредиент в рецептуре;
Ci - массовая доля i-го компонента в Xk ингредиенте, %.
200
(5.1)
Область G определяется системой неравенств, представляющих
собой ограничения, накладываемые на содержание bii-х компонентов рецептуры, и сводится к отысканию экстремума:
m
bimin≤
C iX k ≤ b
imax.
(5.2)
i 1
В связи с тем, что совокупность ограничений может быть противоречива, данный метод лишь констатирует данные противоречия
и не выявляет, какие из них более критичны. Существует модель,
позволяющая учесть данное замечание. В качестве такой модели
выбрана квалиметрическая мультипликативная модель вида:
m
D= di
i 1
1/m
,
(5.3)
где D - обобщенный критерий моделирования, D[0, 1];
di - частные критерии по каждому из факторов, т.е. коэффициент, который может принимать значения от 0 до 1 в зависимости от значения фактора (массовой доли компонента, входящего в рецептуру).
Частный критерий
Модель позволяет свести в одну формулу относительные, комплексные и простые единичные показатели качества и обеспечить
независимость свойств каждого из показателей. Фактор моделирования преобразуется в безразмерную величину, которая выступает
показателем соответствия его значения эталону. Для нахождения
частного критерия используют значения функцию желательности
Харрингтона: 0,8-1,00 - отлично, 0,63-0,80 - хорошо, 0,37-0,63 удовлетворительно, 0,20-0,37 - неудовлетворительно, 0-0,20 - неприемлемо (рис. 5.1).
1
1
2
3
Рис. 5.1. Функция желательности для различных видов ограничений на параметр оптимизации: 1, 3 - одно-
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Фактор моделирования
сторонние; 2 - двусторонняя
201
При двустороннем ограничении на рассматриваемый фактор
функция вычисляется по формуле :
di=exp(-y,n,
(5.4)
где y,=[2b-(bmax+ bmin)]/ -(bmax+ bmin).
Функция (5.4) позволяет формировать функцию желательности
в диапазоне значений фактора (5.2).
Рассмотрим некоторые возможные варианты проектирования
функциональных продуктов питания.
Принято считать, что 1 г идеального белка должен содержать
изолейцина - 40 , лейцина - 70, лизина - 55, метионина с цистином 35, фенилаланина с тирозином - 60, триптофана - 10, треонина - 40 и
валина - 50 мг. Для оценки качества жиров по жирнокислотному
составу Институт питания РАМН и ВНИИМС предложили по аналогии с идеальным белком ввести понятие «гипотетически идеальный жир», предусматривающее определенные соотношения между
отдельными группами и представителями жирных кислот. Согласно
этой модели «гипотетически идеальный жир» должен содержать (в
относительных частях): ненасыщенных жирных кислот - от 0,38 до
0,47; насыщенных жирных кислот - от 0,53 до 0,62; олеиновой кислоты - от 0,38 до 0,32; линолевой кислоты - от 0,07 до 0,12; линоленовой кислоты - от 0,005 до 0,01; низкомолекулярных насыщенных
жирных кислот - от 0,1до 0,12; трансизомеров - не более 0,16. Отношения содержания ненасыщенных и насыщенных жирных кислот
в таком жире должны находиться в пределах от 0,6 до 0,9; линолевой и линоленовой кислот - от 7 до 40; линолевой и олеиновой кислот - от 0,25 до 0,4; олеиновой с линолевой и пентадециловой со
стеариновой кислот - от 0,9 до 1,4. Эти сведения можно использовать при создании программ компьютерного проектирования рецептур многокомпонентных продуктов. Программное обеспечение
проектирования, а также его реализация на IBM-совместимой компьютерной технике на основании теоретических подходов с использованием уравнений базировалось на работах академиков И.А. Рогова и Н.Н. Липатова. В основу методологии положено уравнение
материального баланса:
202
n
Si=
∑(ХiSi)
,
i=1
n
(5.5)
∑Хi
i
i=1
где Si - массовая доля вещества в рецептурной смеси, %;
Хi - массовая доля i-го компонента в рецептурной смеси, %;
Si - массовая доля пищевого вещества i-го компонента в рецептурной смеси, %.
Из различий аминокислотного состава белков вытекает возможность повысить их биологическую ценность в результате смешения
сырья растительного и животного происхождения, дополняющих
друг друга по аминокислотному составу. Необходимо также отметить, что эффекты взаимного обогащения и повышения биологической ценности наблюдаются как для смеси белков, так и комбинаций пищевых продуктов, содержащих эти белки. Применительно к
различным отраслям пищевой промышленности, а также проектированию белкового, аминокислотного, углеводного, витаминного,
минерального состава уравнение (5.1) модифицировано с учетом
специфики проектируемых продуктов. Независимо от сути предлагаемых технических решений для поликомпонентных смесей возможны, как минимум, три варианта постановки задачи.
1. Достижение точного соответствия количественных соотношений нутриентов проектируемого продукта эталону. В этом случае составляется система линейных алгебраических уравнений вида:
n 1
Аi, jCj =А
(5.6)
i=1…m-1,
(5.7)
идi,
j 0
где n - число компонентов;
m - число оптимизируемых веществ;
m 1
Ri - массовая доля i-го оптимизированного вещества в
i 0
j-ом компоненте;
Сj - массовая доля j-го компонента.
203
В рассматриваемой задаче оптимизации состава продукта путем
подбора его рецептурного состава, где неизвестными являются Сj,
имеем систему линейных алгебраических уравнений из m уравнений с n неизвестными, которая разрешима при выполнении условий:
nm; 0,
(5.8)
где - главный определитель системы.
Т.к. в случае
Сj100,
(5.9)
задача не имеет физического смысла, на решение системы необходимо наложить ограничение
Сj100.
(5.10)
2. Минимизация суммы отклонений реальных количественных
соотношений веществ проектируемого продукта от рекомендуемого
эталоном для каждого вещества составляет
m1
Ri min.
(5.11)
i 0
3. Оптимизация показателей продукта, отличных от тех, которые регламентируются эталоном. В большей степени использование
этого варианта оптимизации возможно при моделировании биологической ценности, например, по коэффициенту утилитарности
аминокислотного состава белка, расчета коэффициентов различия
аминокислотного скора и т.д.
Несмотря на простоту процедуры нахождения точного решения,
условия (5.4) и (5.6) существенно ограничивают область практического применения предлагаемых подходов.
Профессором К.К. Полянским предложено учитывать не только
функциональные свойства используемых в рецептурах пищевых
добавок, но и их технологические характеристики. Например, пищевые волокна помимо сорбционных свойств в отношении токсинов обладают влагосвязывающими показателями. В связи с этим,
количество пищевых волокон ПВ, %, с учетом органолептических и
структурно-механических показателей определяли по формуле:
204
n
∑miMi
ПВ=К1К2 i=1
,
100
(5.12)
где К1, К2 - эмпирические безразмерные коэффициенты;
i - количество компонентов в смеси;
mi - массовая доля влаги в i-ом компоненте, %;
Mi - расход i-го компонента смеси, части.
При использовании уравнения (5.12) выбор коэффициентов К1,
К2 зависит от влагоудерживающей способности и вида использованного сырья. Например, для растительного сырья, содержащего
пищевые волокна с влагоудерживающей способностью (ВУС) от 2
до 2,5 г воды на 1 г пищевых волокон К1 колеблется от 0,4 до 0,5;
при ВУС от 20,9 до 23,4 К1 составляет от 0,048 до 0,43; при ВУС от
12,0 до 12,5 К1 составляет 0,081-0,083. Эмпирический коэффициент
К2 зависит от органолептических характеристик и изменяется в интервале от 0 до 1.
Отметим, что наиболее серьезные методы проектирования многокомпонентных продуктов питания сложного сырьевого состава
разработаны для корректировки именно биологической ценности
продуктов питания. Начальный этап разработки теоретических основ и конкретных методов реализации принципов проектирования
сбалансированных пищевых продуктов по биологической ценности
связан с формализацией качественных и количественных представлений о рациональности использования незаменимых аминокислот
в технологии адекватной экзотрофии.
Для определения показателя сопоставимой избыточности содержания незаменимых аминокислот (с), характеризующего суммарную массу незаменимых аминокислот, не используемых на анаболические цели в таком количестве белка оцениваемого продукта,
которое эквивалентно по их потенциально утилизируемому содержанию 100 г белка эталона, используют формулу:
с=
k
j 1
(А CminAэ ) ,
j
j
(5.13)
Cmin
где Аj - массовая доля j-й незаменимой аминокислоты в продукте,
г/100 г белка;
205
Сmin - минимальный скор незаменимых аминокислот оцениваемого белка по отношению к физиологически необходимой
норме (эталону) (%), или доли ед.;
Аэj - массовая доля j-й незаменимой аминокислоты, соответствующая физиологически необходимой норме (эталону),
г/100 г белка.
Физический смысл уравнения (5.13) состоит в том, что чем
меньше значения с, тем лучше сбалансированы незаменимые аминокислоты и тем рациональнее они могут быть использованы организмом (в идеале с=0).
Продукт по биологической ценности может считаться предпочтительным, когда при условии равного обеспечения организма
анаболическим материалом максимальная, по сравнению с другими
вариантами, доля содержащихся в его белке ассимилируемых аминокислот в силу взаимосбалансированности между собой и с заменимыми аминокислотами способна использоваться на анаболические цели без деградации на нужды биосинтеза заменимых и не
расходоваться на компенсацию энергозатрат организма.
Rc max; БСНАК min; ЭГНАК min
(5.14)
В результате анализа существующих рецептур и реальных возможностей промышленных предприятий молочной промышленности выявлено, что при разработке новых видов продуктов, в т.ч.
специального назначения, вряд ли следует использовать в их рецептурах более шести белоксодержащих ингредиентов. В связи с этим
несложно получить зависимость, позволяющую с помощью ЭВМ
реализовать циклический алгоритм состава шестикомпонентной
композиции. Оригинальность этой модели в том, что при ее реализации на ЭВМ достаточно задавать только массовую долю первого
компонента.
В дальнейшем рассчитывают энергетическую ценность проектируемых продуктов питания (Q, кДж):
Q=17,2Xippi{1-Cmin(Xip)}+38,8XiLLiIij+15,7XiCCij,
(5.15)
где Xip - массовая доля i-го белоксодержащего компонента, ед.;
pi - массовая доля белка в i-м компоненте, %;
XiL - массовая доля i-го жиросодержащего компонента, ед.;
Li - массовая доля жира в i-м компоненте, %;
206
Iij - массовая доля жира j-х жирных кислот в жире i-го компонента, %;
XiC - массовая доля i-го углеводсодержащего компонента, ед.;
Cij - массовая доля j-х сахаров в i-ом углеводсодержащем компоненте, %;
17,2; 15,7 и 38,8 - коэффициенты, пропорциональные энергетической ценности белков, углеводов и жиров.
Первая сумма во втором слагаемом формулы (5.15) учитывает,
что при правильной сбалансированности жирнокислотного состава
полиненасыщенные кислоты не должны быть использованы на
компенсацию энергозатрат организма. В первой сумме третьего
слагаемого значения индекса j отождествляют: 1 - с моносахаридами; 2 - с дисахаридами; 3 - с гидролизуемыми полисахаридами.
Расчетную энергетическую ценность по формуле (5.15) сравнивают с требуемой Qэ. Если расчетная энергоценность меньше Qэ, то
в состав продукта вводят дополнительные технологически допустимые углеводсодержащие компоненты. Если расчетное QQэ, то
можно заменять XiL с излишне высокими значениями Li на новые,
технологически допустимые, с меньшими значениями Li.
Для того чтобы весь белок одноразового рациона мог быть использован на анаболические нужды организма, необходимо выполнение следующего равенства:
Aэi=MpPpAj+P zj /Pн,
(5.16)
где Aэi - массовая доля j-й незаменимой аминокислоты в белкеэталоне, г/100 г белка;
Aj - рассчитанная массовая доля j-й незаменимой аминокислоты
в немолочной части одноразового рациона, г/100 г белка;
zj - требуемая для удовлетворения массовая доля j-й незаменимой аминокислоты в белке немолочного продукта, входящего в одноразовый рацион, г/100 г белка.
zj=(AэiPн-MpPpAj)/P,
(5.17)
Такие zj являются новым эталоном аминокислотного состава, к
которому должен стремиться белок проектируемого продукта.
Доказано, что обеспечение всех слоев населения эссенциальными биологически активными веществами наиболее эффективно и
207
экономически целесообразно путем обогащения продуктов питания
массового потребления. Это направление в СССР получило свое
развитие с 30-х годов ХХ в. благодаря усилиям профессора
В.В. Ефремова. Он, по сути, является инициатором и родоначальником создания доступных для всех слоев населения функциональных
продуктов. Следует отметить предпринимаемые Институтом питания РАМН усилия, направленные на улучшение структуры и пищевого статуса всех слоев населения.
В нашей стране до начала реформ обогащение продуктов питания являлось обязательным и было закреплено нормативными документами. Особого внимания заслуживает внимания Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 20.06.88 № 764, в котором Госагропрому СССР и Минхлебопродукту СССР доводились
плановые задания по выпуску витаминизированных продуктов.
В качестве эффективного способа получения продуктов питания
специального назначения может служить использование в рецептурах поливитаминных и витаминно-минеральных премиксов, которые представляют собой смеси основных необходимых человеческому организму витаминов (С, А, Е, D, В1, В2, В6, В12, РР, фолиевой и пантотеновой кислот, биотина), с сахарозой или молочным
сахаром (лактозой), минеральными веществами - железом, кальцием, йодом, фтором. В рецептурах премиксов витамины используются в виде специально разработанных водорастворимых форм, стабильность которых при некоторых видах технологической обработки (пастеризация, перемешивание) максимальна.
Для любого продукта существуют оптимизированные витаминно-минеральные добавки, которые вносят на определенных стадиях
технологического процесса. Так, в хлебобулочные и макаронные
изделия целесообразно вносить сухие премиксы на стадии замеса
теста; в муку и крупу также лучше вносить премиксы на стадии помола; на рис и сухие завтраки лучше напылять покрытие, содержащее биопрепараты; соки, безалкогольные напитки, молочные продукты лучше обогащать перед тепловой обработкой водорастворимыми витаминами или эмульсиями жирорастворимых микронутриентов (в процессе гомогенизации); маргарины обогащают жировой
эмульсией микронутриентов перед сбиванием; в сахар вводят порошкообразный премикс на стадии отбеливания; соль обогащают
водным раствором микронутриентов или порошкообразным премиксом после размола.
208
Контрольные вопросы и задания
1. Какие ученые внесли вклад в развитие современной парадигмы питания?
2. Что такое FOSHU - “food for specifield helth use”?
3. Какие ученые внесли значительный вклад в развитие принципы моделирования состава функциональных мясных и молочных продуктов?
4. Что учитывают при проектировании аминокислотного состава?
5. Какой белок является идеальным? Для чего он используется?
6. С чем связано проектирование жирнокислотного состава функциональных продуктов? Что такое «гипотетически идеальный жир»?
7. Приведите основные принципы обогащения продуктов питания незаменимыми нутриентами.
Глава шестая
ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ
ПРОБИОТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Сведения о пробиотиках и пребиотиках
В 1974 г. Рarker R. впервые пробиотиками («для жизни») были
названы полезные микроорганизмы. Однако имеются данные, согласно которым в 1965 г этот термин употреблен Lilly D. и Stilluell
R. для обозначения микроорганизмов, способствующих росту одних
(благоприятных) микроорганизмов за счет других, т.е. имелось ввиду действие, обратное антибиотикам. В 1989 г. Fuller сформулировал это понятие как «…добавка к корму, содержащая живые микроорганизмы, благотворно воздействущие на организм животного путем оздоровления микрофлоры кишечника». Это определение применимо и для организма человека, а потому оно получило широкое
распространение в качестве интегрального понятия.
209
К пробиотикам относят те биологические препараты, которые
состоят из микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности,
обладающие антагонистической активностью по отношении к патогенной и нежелательной микрофлоре кишечника человека или животных. Пробиотики в организм человека могут поступать путем
потребления специальных форм фармацевтических биологических
препаратов, биологически активных добавок к пище, пищевых продуктов, обогащенных пробиотиками или полученных биотехнологическим способом с использованием в качестве пробиотиков заквасочных культур.
Концепция оздоровления человека и предупреждение старения
организма путем включения в рацион кисломолочных продуктов
выдвинута русским физиологом И.И. Мечниковым почти сто лет
назад. Он первый обратил внимание исследователей на антагонистические свойства молочнокислых бактерий. По его мнению, продолжительность жизни людей может существенно возрастать в тех
случаях, когда желудочно-кишечный тракт заселяется молочнокислыми микроорганизмами, обладающими антагонистической активностью по отношению к гнилостной микрофлоре. Эта теория положена в основу практического применения ацидофильных лактобацилл и других микроорганизмов с целью корректировки различных нарушений микробиоценоза человека.
И.И. Мечников в своей лекции «Флора нашего тела», прочитанной в 1901 г. в Манчестерском литературном и философском обществе, подчеркивал, что тотчас после рождения человека поверхность его слизистых оболочек населяется микробами. Многочисленными исследованиями доказано, что основные представители
микрофлоры колонизируются в толстой кишке в течение первого
года жизни.
Несмотря на индивидуальные различия, состав микрофлоры желудочно-кишечного тракта, в частности толстой кишки взрослого
человека, довольно постоянный и включает микроорганизмы 50
родов и более 400 видов. При этом основу микрофлоры составляют
бесспоровые анаэробные бифидобактерии, фузобактерии, анаэробные и аэробные лактобациллы и аэробные эшерихии.
Научный и практический интерес имеют данные, согласно которым бифидофлора составляет до 98 % у детей, а у взрослых 40-60 %
от всей микрофлоры. Учитывая количественное содержание и биологические функции бифидобактерий и молочнокислых микроорга210
низмов, большинство ученых и специалистов относят названные
микроорганизмы к классическим пробиотикам. В табл. 6.1 приведены сведения о колебаниях различных аэробных и анаэробных микроорганизмов в кишечнике взрослых и детей.
Микроорганизмы-пробиотики подразделяют на четыре группы:
бактерии, продуцирующие молочную и пропионовую кислоты (роды Lactobacterium, Bifidobacterium, Propionibacterium, Enterococcus и
др.); спорообразующие аэробы рода Bacillus (B. subtilis, B. cereus, B.
licheniformis, B. coagulans); дрожжи, которые чаще используются в
качестве сырья при изготовлении пробиотиков; комбинации перечисленных микроорганизмов.
Организм человека и окружающая среда представляют единую
экологическую систему, в которой большая физиологическая роль
принадлежит микробам - симбионтам человека. К бактериямпробиотикам относятся, главным образом, классические представители - эубиотики, входящие в состав нормальной микрофлоры
желудочно-кишечного тракта. Еще в начале ХХ в французский ученый Тисье выделил из кишечника грудного ребенка бифидобактерии. Однако прошло более 70-ти лет до начала промышленного использования этих микроорганизмов при производстве кисломолочных продуктов. Это объясняется сложностью культивирования бифидобактерий, т.к. многие штаммы плохо развиваются на синтетических субстратах.
Наибольший интерес к пробиотикам возник в начале 70-х годов
ХХ в., когда чрезмерно широкое применение антибиотиков, ухудшение экологической обстановки повлекли за собой нарушения
микробиоценозов человека и животных, а также явления устойчивости к антибиотикам.
Микроорганизмы, которые обладают пробиотическими свойствами, но не встречаются постоянно в кишечнике человека, называются «транзитными». К ним относятся молочнокислые палочки
и кокки, грамположительные бактерии, синтезирующие пропионовую кислоту и относящиеся к роду Bacillus и грамотрицательные
Escherichia coli, Citrobacter, дрожжи Saccharomyces, Candida pintolepesii, грибы, в т.ч. - высшие - Aspergillus, Rizopus, Cordiceps.
Согласно определителю бактерий Bergey (1974) бифидобактерии относятся к семейству Actinomycetaceace, роду Bifidobacterium.
В настоящее время известны 32 вида бифидобактерий, установленных на основе генотипирования с применением метода гибридиза211
ции ДНК и РНК. Они объединяют 15 фенотипических видов. Среди
штаммов, выделенных от людей, 5 феновидов (Bifidobacterium
bifidum, B. вreve, B. infantis, B. longum, B. аdoloscentis) и 9 геновидов. Внутри видов выделяются самостоятельные биоварианты. В
нашей стране в качестве производственных штаммов используются
3 вида бифидобактерий: В. infantis, B. longum, B. adoloscentis.
Бифидобактерии являются доминирующей микрофлорой кишечника взрослых и детей и выполняют ряд полезных для организма функций. Установлено, что бифидобактерии оказывают положительное влияние на структуру слизистой оболочки кишечника и ее
избирательную способность пропускать вещества. Они активно
синтезируют для организма витамины группы В (рибофлавин, никотиновую кислоту, пиридоксин, кобаламин, тиамин, пантотеновую
и фолиевую кислоты), а также витамин С. Бифидобактерии образуют из неорганических азотистых соединений некоторые аминокислоты: аланин, валин, аспарагин. Именно бифидофлоре принадлежит
ведущая роль в нормализации микробиоценоза кишечника, улучшении процесса всасывания и гидролиза жиров, белкового и минерального обмена, поддержании неспецифической резистентности
организма. Учеными выявлена способность бифидобактерий выделять в качестве конечных продуктов обмена веществ органические
кислоты, создающие в кишечнике кислую среду, а также подавлять
рост и размножение патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, энтеропатогенных кишечных палочек.
Обладая высокими адгезионными свойствами и антагонистической активностью, бифидофлора защищает организм от кишечных
инфекций, вызываемых бактериями родов Salmonella, Shigella,
Klebsiella. Кроме того, бифидобактерии не только подавляют развитие патогенных представителей кишечной микрофлоры, но и обезвреживают токсические метаболиты, образуемые в кишечнике.
Представления о физиологическом значении бифидобактерий
существенно дополнены данными о том, что эти микроорганизмы
способствуют лучшему усвоению солей кальция, витамина D, железа и, следовательно, обладают антирахитическими и антианемическими свойствами.
Благоприятное влияние пробиотиков на здоровье людей проявляется разноплановыми положительными эффектами, звеньями механизма, которые в целом характеризуются, как пробиотическое
воздействие. Основные функции пробиотиков: оптимизация пище212
варения и нормализация моторной функции кишечника; участие в
функционировании клеток и тканей организма в качестве носителей
иммуногенов и защитных антигенов; детоксикация и защитная роль
в отношении негативного влияния радиации, потенциальноопасных химических соединений, канцерогенных факторов; антагонизм в отношении условно патогенных и патогенных бактерий,
грибов, дрожжей, вирусов; устранение дисбактериозов и регуляция
баланса микроорганизмов в желудочно-кишечном тракте; производство БАВ и БАД; регулирование гормонального обмена.
Бифидобактерии морфологически представляют собой неспорообразующие, грамположительные палочки, хотя в старых культурах
могут встречаться грамотрицательные варианты. Для бифидобактерий характерна форма слегка изогнутых и разветвленных палочек с
булавидными и гантелевидными утолщениями на концах. Часто
встречаются скопления в виде «иероглифов», «римских пятерок».
Микробные клетки никогда не складываются в цепочки, при сохранении контуров клетки возможно образование грануляций.
Бифидобактерии являются строгими анаэробами, однако в процессе культивирования они приобретают способность развиваться в
присутствии некоторого количества кислорода. Чувствительность к
кислороду у многих штаммов бифидобактерий изменяется, что обусловлено различиями в механизмах брожения. Для большинства
штаммов оптимальной является температура 36-38°С, рост почти
всех штаммов прекращается при 20°С и ниже, максимальная температура находится в пределах 45-50°С. Оптимальным для развития
бифидобактерий является рН 6-7. При рН ниже 5,5 рост этих микроорганизмов приостанавливается.
Бифидобактерии вызывают гетероферментативное молочнокислое брожение. Основными продуктами метаболизма при сбраживании глюкозы являются уксусная и L(+) молочная кислота с небольшой примесью муравьиной и янтарной кислот. В процессе превращения глюкозы происходит мобилизация химической энергии для
поддержания биосинтеза, которая запасается в форме АТР - веществ с высокой реакционной способностью. Выход АТР при брожении у бифидобактерий составляет 2,5 моля на 1 моль глюкозы,
что превышает выход АТР при гомоферментативном молочнокислом брожении. Масляная, пропионовая кислоты и углекислый газ
при сбраживании глюкозы не образуются.
213
Большинство штаммов бифидобактерий не сквашивают стерильное молоко, а если и сквашивают, то не ранее, чем через четверо суток. В процессе культивирования биохимическая активность
бифидобактерий повышается и свертывание стерильного молока
происходит через 24-36 часов. При добавлении в молоко ростовых
веществ (дрожжевого автолизата, кукурузного экстракта, гидролизованного молока и др.) при внесении 5-10 % посевного материала
сквашивание молока наблюдается через 8-12 часов. Предельная
кислотность сквашенного молока при использовании бифидобактерий достигает 120-130°T.
Биологические препараты, БАД и пищевые продукты могут содержать микроорганизмы в виде чистых монокультур или в комбинациях, включающих несколько штаммов или вида разных таксономических групп. В состав формул препаратов, БАД и пищевых
продуктов может входить до 6-8 пробиотиков и более, в этих случаях их называют «симбиотиками» и «мультипробиотиками».
Симбиотики - термин, произошедший от слова «симбиоз», обозначает препараты, применяемые для обозначения препаратов, состоящих из нескольких пробиотиков, например, из 6-8, т.е. это
мультипробиотик или комплексный препарат, в котором объединены микроорганизмы одной или разных групп, отобранных по принципу наибольшей выживаемости в неблагоприятных условиях и
испытанных на симбиотичность. По своим эффектам микроорганизмы дополняют друг друга и оказывают наилучшее позитивное
действие. У человека по массе симбиотическая микрофлора составляет около двух кг, а количество клеток микрофлоры в несколько
десятков раз превосходит количество клеток самого человека.
Несмотря на то, что при использовании одновидовых заквасок
легче управлять процессами производства, в современной биотехнологии все чаще используются не однородные культуры микроорганизмов, а симбиозы, ассоциации, консорциумы, смешанные закваски. Такие сочетания микроорганизмов проявляют свои свойства
эффективнее, что открывает большие перспективы для развития
всех отраслей, использующих биотехнологические процессы.
Основными микроорганизмами поливидовых заквасок являются
стрептококки, лактобациллы и бифидобактерии. Культуры, используемые в составе полизакваски, должны быть биологически совместимы, характеризоваться высокой энергией кислотообразования,
достаточной для подавления патогенной микрофлоры. Предпочти214
тельно, что входящие в полизакваску культуры, способны вызывать
протеолиз, предотвращающий накопление токсичных летучих продуктов, в первую очередь аммиака. Желательно, чтобы в закваску
входили культуры, способные к гомоферментативному брожению с
образованием молочной кислоты, преимущественно L(+) формы,
являющейся наиболее физиологичной для желудочно-кишечного
тракта человека и особенно ребенка.
Консорциумы микроорганизмов по степени объединения можно
разделить на три группы:
- консорциумы, представляющие собой простую смесь отдельных штаммов, развивающихся независимо один от другого, при
этом положительный эффект такого консорциума обусловлен простой суммой свойств входящих в него штаммов;
- консорциумы, представляющие собой сообщество отдельных
штаммов микроорганизмов (симбиотические сочетания), проявляющие в определенных условиях новые свойства или дающие новый
положительный эффект, который не был присущ отдельно входящим в него штаммам;
- консорциумы, являющиеся устойчивым объединением отдельных видов микроорганизмов, т.е. симбиозом, проявляющим новые
свойства или новый положительный эффект, который не был присущ отдельно входящим в него штаммам.
Пребиотики - понятие, сформулированное R. Gibson, - это неперевариваемые ингредиенты продуктов питания, которые способствуют улучшению здоровья за счет избирательной стимуляции роста и метаболической активности пробиотиков в толстой кишке, т.е.
промоторы или стимуляторы пробиотиков. Пребиотики не должны
гидролизоваться и абсорбироваться в верхних отделах желудочнокишечного тракта; должны являться селективным субстратом одного или ограниченного количества полезных представителей нормальной микрофлоры кишечника, стимулируя их рост и метаболическую активность; должны обладать способностью улучшать состав кишечной микрофлоры, а также индуцировать эффект, улучшающий состояние макроорганизма, т.е. здоровье человека.
К пребиотикам, в основном, относятся неперевариваемые человеком олигосахариды, представляющие собой класс углеводов со
степенью полимеризации от двух до десяти, причем большей активностью обладают фруктоолигосахариды. Достигая толстой кишки человека без существенных изменений вследствие отсутствия
215
или низкой активности ферментов, способных к их расщеплению,
они являются субстратом для развития пробиотиков, вырабатывающих ферменты типа гидролаз. Природные неперевариваемые олигосахариды служат резервными углеводами многих высших растений, водорослей, микроорганизмов, дрожжей, грибов.
К неперевариваемым олигосахаридам относятся: олигомеры из
остатков фруктозы: фруктоолигосахариды, фруктаны, в т.ч. инулин;
олигомеры из остатков глюкозы: глюкоолигосахариды, глюканы и
декстраны; олигомеры из остатков галактозы - галактоолигосахариды, а также олигосахариды, происходящие из растительных клетк.
Наиболее изученными на сегодняшний день пребиотиками являются растворимые фруктоолигосахариды. Их использование
началось в Японии в 80-х годах в качестве сахарозаменителей, но в
дальнейшем, благодаря функциональным свойствам, они приобрели
существенно более важное значение. В молекуле фруктоолигосахаридов фруктозильные единицы присоединены (21)-связью к молекуле D-глюкозы в концевом положении. Некоторые специалисты
указывают на то, что в полимерной цепи может находиться до 60
звеньев. В настоящее время успешно развиваются биотехнологические и химические способы получения фруктоолигосахаридов, как
из природных растительных объектов (свеклы, бобовых, лука, чеснока, злаковых, томатов, инжира и др.), так и путем их целенаправленного синтеза (реакция получения лактулозы из лактозы) или
ферментативного гидролиза полисахаридов.
Синбиотики - термин, произошедший от слова «синергизм»,
обозначает смесь пробиотиков и пребиотиков, полезно влияющих
на организм человека за счет улучшения выживаемости и приживаемости в кишечнике живых бактериальных добавок и избирательной стимуляции роста и метаболизма индигенных или главных
микроорганизмов, к которым относятся молочнокислые бактерии и
бифидобактерии. В результате воздействия синбиотиков происходит эффективная имплантация пробиотиков в желудочно-кишечном
тракте, а также стимуляция собственной микрофлоры человека.
В настоящее время приоритетным направлением является разработка пробиотической продукции смешанного состава - синбиотиков, содержащих комплексы пробиотиков, в т.ч. мультиштаммовых, с различными пребиотическими веществами. Пребиотики являются стимуляторами, или промоторами пробиотиков. В группу
пребиотиков входят вещества или диетические добавки, которые не
216
сорбируются в кишечнике человека, однако селективно стимулируют рост или активизируют метаболизм полезных представителей
микрофлоры, оказывая благотворное влияние на организм.
Практические аспекты создания продуктов
пробиотического назначения
Основной задачей, стоящей перед микроорганизмамипробиотиками, является заселение кишечника человека и животных
с последующей их адаптацией в данных условиях. При этом происходит регуляция условно-патогенной микрофлоры путем вытеснения ее из состава микроорганизмов желудочно-кишечного тракта и
сдерживания ее развития (или синтеза патогенных веществ). Основные защитные механизмы пробиотической микрофлоры обусловлены подавлением активности гнилостных и патогенных бактерий;
активизацией иммунных процессов; регуляцией обменных процессов; активизацией кишечных функций.
Пробиотические культуры подавляют численность нежелательных микробов, что связано с прямым антагонистическим действием, вызванным антибиотическими веществами, конкуренцией за
питательные субстраты и за место прикрепления к кишечному эпителию. Последнее свойство (адгезия на эпителии) является обязательным условием нормальной жизнедеятельности микрофлоры.
Изменяя метаболизм микробов путем изменения концентрации
микробных метаболитов или активности ферментных систем микробов, пробиотики регулируют концентрацию попадающих в кровь
хозяина токсинов. Антимикробная активность обусловлена, главным образом, органическими кислотами: молочной, уксусной и
пропионовой, которые ингибируют рост и развитие сальмонелл,
эшерихий, клостридий и некоторых видов дрожжей. Важным компонентом, продуцируемым микробами, является перекись водорода,
которая избирательно воздействует на условно-патогенные микроорганизмы, а также некоторые виды псевдомонад, эшерихий, сальмонелл, стафилококков. Данный эффект усиливается присутствием
углекислоты, которая, распадаясь с образованием углекислого газа,
выступает в роли акцептора водорода при биосинтезе гексоз. Продуцируемый кефирными грибками диацетил задерживает развитие
туберкулезной палочки, эшерихий и некоторых грамположитель217
ных кишечных бактерий, не относящихся к лактобактериям. Микроорганизмы-пробиотики способны синтезировать антибиотики, в
т.ч., которые способны избирательно воздействовать лишь на ограниченное количество микроорганизмов. Эти вещества называют
«бактериоцинами». Их эффект состоит в том, что являясь низкомолекулярными белками, они способны сорбироваться на клеточных
мембранах, затрудняя транспорт между клеткой и окружающей
средой ионов, ДНК и других соединений.
Другим возможным принципом действия пробиотиков является
детоксикация потенциально опасных соединений экзогенного и эндогенного характера, попадающих с пищей, водой, воздухом или
образующихся при трансформации веществ в организме. Процесс
детоксикации связан с образованием при помощи микроорганизмов
метаболитов, которые являются менее токсичными или вообще нетоксичными, а также такими, которые подвергаются быстрому разрушению в печени. Возможно также, что токсичные вещества являются непосредственным субстратом для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Пробиотики стимулируют и улучшают
иммунитет хозяина, усиливается резистентность организма за счет
повышения содержания лизоцима, бактерицидной активности сыворотки крови и т.д.
Микроорганизмы-пробиотики должны синтезировать анти-E.coli-фактор, ингибирующий развитие колибактерий в кишечнике,
быть непатогенными. Используемые в технологии пищевых продуктов культуры не должны содержать болезнетворных бактерий, в
т.ч. БГКП (допускается незначительное количество непатогенных
микроорганизмов - до 103-104 КОЕ/г). Живые культуры пробиотиков должны быть желче- и кислотоустойчивыми, поскольку для заселения желудочно-кишечного тракта им необходимо пройти желудок с кислой средой, обусловленной соляной кислотой, а желчные
кислоты, эмульгирующие жиры и гидролизующие липиды, способны активно воздействовать на белково-липидные клеточные мембраны микробов, разрушая их.
Для человека наиболее естественным и психологически доступным путем получения пробиотиков является потребление натуральных, в частности, кисломолочных продуктов, полученных биотехнологическим способом с использованием различных микроорганизмов в качестве заквасочных или стартерных культур. В настоящее время исследования пробиотиков продолжаются, и перспектива
218
их применения для профилактики и лечения распространенных заболеваний достаточно широка.
Наиболее обширную группу продуктов функционального питания составляют молочные продукты. В настоящее время на основе
молока созданы эффективные пробиотические продукты. Это связано с тем, что в молоке хорошо растет большинство микроорганизмов, участвующих в коррекции эндоэкологии человека.
С точки зрения функционального питания, наибольшую ценность представляют пробиотики, содержащие жизнеспособные
микроорганизмы с высокой активностью и устойчивые к неблагоприятным факторам внешней среды. Первичный субстрат, инициирующий ферментативные процессы в молоке, - лактоза, расщепляющаяся под действием -галактозидазы на моносахариды: глюкозу
и галактозу. Таким образом, этот фермент является ключевым в
расщеплении лактозы молока микроорганизмами заквасочных
культур, поэтому в производстве ферментированных молочных
продуктов особую важность наряду с принятыми показателями
имеет характеристика исследуемого микроорганизма по галактозидазной активности.
Пробиотические продукты должны отвечать следующим специфическим требованиям: содержать достаточное количество клеток
жизнеспособных микроорганизмов, вводимых с заквасками; иметь
умеренную кислотность, повышенную пищевую и биологическую
усвояемость. При подборе культур пробиотиков, помимо биохимических признаков (скорость свертывания белков молока, кислотообразующая способность, протеолитическая активность), дополнительно учитывают их способность приживаться в кишечнике
(устойчивость к фенолу, индолу, желчи), антибиотическую активность и другие свойства (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Антагонистическая активность бифидобактерий
(цитировано по Н.Б. Гавриловой)
Наименование
тест-микроорганизмов
S. typhimurium
E. coli ВКМ-125
Sh. sonnei
P. aeruginosa
Показатель ингибирования, доли единицы
через 24 час.
через 48 час.
0,54
0,72
0,44
0,54
0,40
0,55
0,44
0,44
219
S. aureus 209p
B. subtilis ATCC 633
0,55
0,20
0,66
0,29
ПРИМЕЧАНИЕ. При отсутствии ингибирования показатель ингибирования равен нулю, при полном ингибировании равен единице.
М.А. Сидоровым предложена классификация, согласно которой
бифидосодержащие продукты предлагается разделить на три
группы. Первая группа объединяет продукты, в которые добавляют
жизнеспособные клетки бифидобактерий, выращенные на специальных субстратах. Размножение этих микроорганизмов в продуктах не предусматривается. Вторая группа - это продукты, сквашенные чистыми или смешанными культурами бифидобактерий. В
этом случае для повышения активности бифидобактерий следует
использовать мутантные штаммы, адаптированные к молоку и способные расти в аэробных условиях или сочетать бифидобактерии и
различные бифидогенные факторы. Третья группа - продукты смешанного брожения, чаще всего сквашенные совместной культурой
бифидобактерий и молочнокислых микроорганизмов. Это позволяет, во-первых, стимулировать рост бифидобактерий в молоке, вовторых, маскировать привкус уксусной кислоты, образуемой бифидобактериями.
Промышленный выпуск заквасок бифидобактерий и их применение в производственных процессах стали возможными в результате большой работы по селекции бифидобактерий и изучению их
биохимических и культуральных свойств. В нашей стране промышленное применение имеют, главным образом, три вида бифидобактерий: B. bifidum, B. longum, B. adolescentis.
Эффективной формой выпуска пробиотиков являются концентраты. К преимуществам их использования относятся: отказ от
культивирования материнских, промежуточных и производственных заквасок, т.е. процесса, характеризующегося высокой трудоемкостью и риском потери активности; обеспечение равновесия между штаммами микроорганизмов в случае использования комбинированных заквасок микроорганизмов разных видов или таксономических групп.
В табл. 6.2 приведены варианты использования бифидобактерий
в технологии молочных продуктов.
Таблица 6.2
220
Бифидобактерии, применяемые в производстве
кисломолочных продуктов
Используемые штаммы бифидобактерий
Кисломолочные продукты
B. bifidum штаммы 1, 791, ЛВА-3
Бифидокефир, угличский, вита, бифидок, БАД-1Б, кисломолочный бифидумбактерин
B. longum штамм В-379М
Кисломолочный бифидумбактерин, БАД-1Б, бифивит, бифисанус, бифидное молоко
B. breve, B. infantis
Бифилайф
B. adolescentis штаммы МС-42, ГО-113
Бифилин, бифидин
B. adolescentis штаммы АТ-41, К3, 11124, Бифацил
NKI, 317/402, B. bifidum
Молочнокислые стрептококки и палочки, Ацидобифилин
бифидобактерии
В России традиционно выпускают широкий ассортимент кисломолочных продуктов, производимых с использованием ацидофильных молочнокислых палочек, являющихся представителями нормальной кишечной микрофлоры. Клинические испытания показали
высокое лечебно-профилактическое действие этих продуктов при
различных желудочно-кишечных заболеваниях. Это были кисломолочные продукты, которые по принятой в настоящее время терминологии называют продуктами с пробиотическими свойствами.
Практическим воплощением идей оздоровления человека стало
применение ацидофильных лактобацилл в кисломолочных продуктах. Роль лактобацилл как пробиотиков, наиболее активно участвующих в морфогенезе и функционировании иммунокомпетентных
клеток и тканей организма хозяина, в настоящее время изучена достаточно подробно. Так, ацидофильные продукты применяют при
лечении гнилостных и восстановительных процессов в кишечнике,
колитов, гнойных ран. Благодаря тому, что ацидофильные палочки
обладают высокой протеолитической и антибиотической активностью, они широко используются в производстве диетических и лечебно-профилактических продуктов.
Ацидофильная палочка проявляет антагонизм к ряду возбудителей кишечно-желудочных заболеваний, степень которых зависит от
состава питательной среды. Отдельные штаммы ацидофильной палочки значительно отличаются друг от друга по способности по221
давления дизентерийных бактерий. Отдельные штаммы также значительно варьируют по чувствительности к ацидофильной палочке.
Ацидофильные палочки способны подавлять рост бактерий
группы кишечной палочки и дизентерийных палочек, сальмонелл,
коагулазоположительных стафилококков и других микроорганизмов. Их бактериальные свойства обусловлены наличием специфических антибиотических веществ, действие которых усиливается в
присутствии молочной кислоты.
Новым направлением в области пробиотиков является разработка препаратов, основу которых составляют бактерии рода Bacillus.
Привлекательность этих микроорганизмов как активных пробиотиков объясняется исследователями их безвредностью для организма
человека, даже в концентрациях, значительно превышающих те, что
рекомендуются для использования. Эти микроорганизмы способны
повышать неспецифическую сопротивляемость организма, подавляют развитие многих патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, обладающих противоаллергенным и антиокислительным
действием, имеют ферментные системы, способные регулировать и
стимулировать пищеварение.
Большие перспективы имеет использование не только и не
столько живые культуры Bacillus, сколько подготовленные очищенные лекарственные препараты на основе культуральной жидкости (табл. 6.3).
Таблица 6.3
Пробиотики на основе бактерий рода Bacillus
222
B. subtilis + B. licheniformis
B. subtilis
B. subtilis
B. subtilis
Bacillus sp.
B. cereus
B. cereus
B. subtilis+B. licheniformis
B. subtilis
B. subtilis
Страна
Украина
Россия
Россия
Италия
Югославия
Франция
Китай
Украина
Украина
Украина
Область
применения
Медицина
Биоспорин
Споробактерин
Бактиспорин
Этерогермин
Флонивин
Бактисубтил
Цереобиоген
Бактерин-СЛ
Эндоспорин
БПС-44
Бактерии, входящие
в состав препарата
Ветеринария
Название или назначение препарата
Кормовая добавка
B. coagulans
Россия
США
Нидерланды
Нидерланды
Франция
Нигерия
Германия,
Великобритания
Великобритания
Сельское
хозяйство
Энтеробактерин
B. subtilis
Глоген-8
B. natto
Прималас
Bacillus sp.
Протексин
Bacillus sp.
Препарат для фер- B. subtilis
ментации овса
Препарат для фер- B. subtilis +B. licheniformis
ментации бобов
Кормовая добавка B. licheniformis
Кумыс как лечебный продукт используют в России более 100
лет. Его применяют для лечения некоторых форм туберкулеза, желудочно-кишечных и легочных заболеваний, фурункулеза, малокровия. Лечебный эффект кумыса связан с особенностями химического состава и наличием противотуберкулезного антибиотического
вещества низина, выделяемого дрожжами.
Обобщая вышеизложенное, можно сделать вывод о том, что высокая антагонистическая активность бифидобактерий, ацидофильной палочки и других пробиотиков, способность разрушать токсичные метаболиты, продуцировать аминокислоты, летучие жирные
кислоты и синтезировать витамины свидетельствуют о целесообразности использования этих микроорганизмов в производстве продуктов с лечебно-профилактическими свойствами (продуктовпробиотиков). Ценность пробиотических продуктов состоит в том,
что они обладают определенными потребительскими свойствами,
содержат высокий уровень жизнеспособных клеток полезной микрофлоры - не менее 1106 КОЕ/г бифидобактерий и 1107 КОЕ/г лактобактерий, а также продукты их метаболизма. Именно совокупность клеток-культур пробиотиков и продуктов их жизнедеятельности оказывает наибольший оздоровительный эффект на человека.
Характеристика и перспективы использования
лактулозы в технологии продуктов питания
223
В Японии как в стране-основоположнице концепции функционального питания из 25 наименований функциональных ингредиентов 19 напрямую связаны с микрофлорой и только один из них - это
пробиотик, штамм лактобациллы «LGG», а остальные - пребиотики.
К началу 90-х годов промышленные производства микроорганизмов для восстановления и поддержания микроэкологии кишечника существовали в Японии, США, Швеции, Франции. Однако
бактерии-пробиотики очень восприимчивы к внешним факторам
воздействия. Попадая в кислую среду желудка или щелочную в
двенадцатиперстной кишке, большая часть полезной микрофлоры
погибает, и лишь незначительная часть достигает толстого кишечника. Следовательно, для получения клинического эффекта в продукт надо вносить большое количество живых клеток, что делает
его дорогим для массового и повседневного питания. Микрофлору,
прошедшую барьеры желудочно-кишечного тракта, необходимо
обеспечить субстратами для эффективного существования. Это доказывает перспективность использования в продуктах питания не
пробиотиков, а пребиотиков, которые стимулируют развитие в организме человека пробиотической микрофлоры.
Доказано, что идеальным бифидус-фактором является лактулоза, которая относится к классу олигосахаридов и подклассу дисахаридов. Теоретические и практически принципы создания отечественной лактулозы разработаны академиками РАСХН, докторами
технических наук, профессорами, лауреатами Премии Правительства РФ в области науки и техники А.Г. Храмцовым и В.Д. Харитоновым, их учениками и последователями (И.А. Евдокимовым,
С.А. Рябцевой, В.В. Кимом, А.В. Серовым и другими). 21 марта 2002
г. был подписан Указ Правительства РФ о присуждении коллективу, воплотившему проект «Разработка технологии и организация
производства отечественного пребиотика лактулозы для продуктов функционального питания и напитков нового поколения», высокой награды.
Лактулоза открыта в 1920 г. и впервые описана в 1929 г. В 1948
г. Ф. Петуэли и Ж. Кристан выделили из состава женского молока
вещество, активизирующее рост бифидобактерий, и, не зная его
строение, определили как «бифидус-фактор». В 1950 г. Ф. Петуэли
сделал сообщение об определении химического строения бифидусфактора, как углевода из группы дисахаридов и назвал его «лактулозой». В медицинской практике лактулозу используют с 1951 г.
224
Молекула лактулозы состоит из остатков галактозы и фруктозы. Конформация лактулозы существенно влияет на ее физикохимические свойства, а присутствие минорных сахаров (лактозы,
галактозы, тагатозы) не играет значительной роли. Вместе с тем
конфигурация и конформация молекулы лактулозы определяет еще
и потребительские свойства - сладость, которая составляет 0,7 единиц в сравнении с сахарозой.
Лактулоза широко используется как профилактическое и терапевтическое средство при ряде заболеваний, особенно в случаях
формирования дисбиотических явлений. Она считается классическим средством воздействия на метаболизм микрофлоры кишечника. Лактулоза подвергается метаболизму не только бифидобактериями, но и молочнокислыми бактериями. Вследствие этого снижается активность образования аммиака из аминокислот и мочевины. В
результате перехода в ионизированную аммонийную форму
уменьшается всасывание аммиака в кровь. Основные механизмы
действия лактулозы расшифрованы, однако реальные биохимические процессы до конца не изучены, что явилось поводом для обширных токсикологических и клинических испытаний отечественных концентратов.
По данным японского исследователя в области продуктов функционального питания Г. Мизоты, к основным свойствам лактулозы
относятся:
- увеличение численности бифидо- и лактобактерий;
- подавление патогенной и условно-патогенной микрофлоры;
- подавление токсичных метаболитов и вредных ферментов;
- увеличение абсорбции минералов и укрепление костей;
- облегчение запора, к которому приводит не только способность
лактулозы к связыванию воды, но и изменение рН фекалий;
- стимулирование функции печени;
- активизация иммунной системы, связанная с увеличением количества бактерий, стимулирующих иммуногенез;
- антиканцерогенный эффект, связанный с активизацией иммунной системы клетками бифидобактерий.
Мировым лидером в производстве лактулозы и функциональных продуктов питания, обогащенных ею, является японская корпорация Morinaga Milk Industry Co. Именно эта компания в начале
1960-х годов сосредоточила свои усилия на проведении исследований по воздействию лактулозы на организм человека. Данные по ее
225
благотворному действию на организм человека были настолько
убедительными, что этот продукт открыл широкую дорогу развитию функционального питания и индустрии пребиотиков в мире.
Первые попытки получения лактулозы из растворов молочного
сахара проведены во Всесоюзном научно-исследовательском институте маслоделия и сыроделия в 60-70-х г. ХХ века. В настоящее
время более 30 молочных заводов выпускают продукты, обогащенные лактулозой, под торговой маркой «Божья коровка». Профессора А.Г. Храмцов, В.Д. Харитонов и И.А. Евдокимов отмечают, что
годовой объем потребности лактулозы для внутреннего рынка составляет: для заменителей женского молока и продуктов детского
питания – 7-10 тыс. т., для функционального питания - 2-3 тыс. т.
Лактулозу вырабатывают, главным образом, в виде сиропа с массовой долей лактулозы 40 % под названием «Лактусан». На его основе специалисты ВНИМИ и СевКавГТУ получили два варианта сухой лактулозы (табл. 6.4).
Сухие образцы лактулозы характеризуются мелкодисперсной
структурой, имеют белый цвет, хорошую сыпучесть, а также повышенную гигроскопичность, кроме композиций, содержащих белковые наполнители. Так, гигроскопичность сухой лактулозы составляет 22,8 %, сухой лактулозы с растительным и молочным белком
16,7 и 15,3 % соответственно (гигроскопичность сухой сыворотки 21,1%, у сухой молочной сыворотки с кристаллизованной более 90
% лактозы - 14,0 %, у сухого обезжиренного молока - 10,5 %).
Таблица 6.4
Характеристика препаратов лактулозы (по данным В.Д. Харитонова, Ю.И. Филатова, Д.В. Харитонова, В.В. Кима)
Параметры распылительной
сушки и качественные
показатели продукта
Температура воздуха на входе, оС
Температура воздуха на выходе, оС
Массовая доля в продукте (%):
влаги
лактулозы
белка
Средний размер частиц, мкм
Индекс растворимости, см3 сырого
остатка
226
Сухая Смесь сухой лактулозы
лактус белком
лоза растительным молочным
110-150
170-180
169-190
55-70
65-75
70-85
3,5-5,0
61-70
30
3,5-4,5
26,4
30,0
45
3,5-4,5
12,8
24,0
47
-
0,20
0,15
КМАФАнМ, КОЕ/г
БГКП в 0,1 г продукта
Патогенные микроорганизмы в 50
г продукта
Дрожжи/плесени, КОЕ/г
5103
25/40
8,4103
7,1103
Отсутствует
35/70
48/85
По данным В.П. Шидловской, в результате тепловой обработки
молока и молочных продуктов в них возможно образование лактулозы. Выявлено, что в процессе изомеризации лактозы на начальном этапе скорость образования лактулозы из -формы лактозы
выше, чем из -лактозы, затем она стабилизируется. На образование
лактулозы оказывает влияние состав и свойства молочных систем:
содержание белков и липидов, присутствие солей органических
кислот, рН среды и другие частные факторы (табл. 6.5).
В 1980 г. Olano A. предложено использовать присутствие лактулозы в качестве индикатора тепловой обработки молока: при содержании лактулозы ниже 70 мг/100 мл, но не ниже 10 мг/100 мл
молоко идентифицировать как молоко УВТ-обработки, выше этой
величины, как стерилизованное в упаковке.
Таблица 6.5
Содержание лактулозы в молочных продуктах
в зависимости от способа тепловой обработки
Продукт и способ тепловой обработки
Содержание лактулозы
мг/100 мл % от лактозы
4-15
0,08-0,30
7,2
0,15
Молоко натуральное пастеризованное
Молоко обезжиренное пастеризованное
Молоко обезжиренное пастеризованное и
нагретое в закрытых тубах в кипящей водяной бане в течение 30 мин/60 минут
16,6 / 28,3
Молоко восстановленное
2,5-30,0
УВТ-молоко прямого способа нагрева
7,0-30,0
УВТ-молоко косвенного способа нагрева
30,0-75,0
Молоко стерилизованное непрерывным способом:
в полимерной упаковке;
75,0-84,0
в стеклянной упаковке.
103,0-134,0
Молоко стерилизованное периодическим
способом в автоклаве при 120оС с выдержкой
20 минут
140,0-160,0
Молоко сгущенное с сахаром
223,0-740,0*
0,35 / 0,60
0,05-0,60
0,20-0,60
0,60-1,60
1,60-1,80
2,20-2,80
3,00-3,40
1,90-6,30
227
Молоко сгущенное стерилизованное
47,0-106,0*
УВТ-сливки
28,0
Питьевые детские молочные продукты:
УВТ-обработки;
нет данных
стерилизованные в бутылочках.
нет данных
Сухое быстрорастворимое детское молоко
до 210*
Сухое молоко из УВТ-молока прямого способа нагрева
122*
Сухое молоко из УВТ-молока косвенного
способа нагрева
310-326*
Сухое молоко из стерилизованного молока
731-1055*
0,40-0,90
0,70
1,70
3,70
0,80
2,60
6,60-7,00
15,60-22,40
____________
*
мг/100 г
Для приготовления и рафинации раствора молочного сахарасырца используют водопроводную питьевую воду. Готовность полученного раствора определяют по его плотности, которая при 7075оС должна составлять 1045-1047 кг/м3. В раствор вносят 1,5-2,0 %
осветляющего угля марки «МД» и 1,0-1,5 % кизельгура-диатомита
(к массе молочного сахара-сырца). При непрерывном перемешивании раствор выдерживают 20-30 минут при температуре 70-75оС и
направляют для фильтрации на аппараты типа фильтр-пресс. Целесообразно подачу сиропа на фильтр-пресс осуществлять давлением
сжатого воздуха. Для этого растворение и рафинирование сахарасырца проводят в герметических сосудах (реакторах). Рафинированный раствор молочного сахара (фильтрат) направляют на изомеризацию. Процесс изомеризации включает в себя известкование
раствора лактозы, термостатирование и нейтрализацию. Он осуществляется в аппаратах, конструкция которых аналогична оборудованию, используемому для рафинации.
В рафинированный раствор молочного сахара, имеющий температуру 70оС, вносят предварительно подготовленный 20 % раствор
(суспензию) гидрата окиси кальция в количестве около 5 л на 1 м3
раствора и 20 %-й раствор едкого натра в количестве около 8,0 л на
1 м3 раствора. Затем раствор молочного сахара термостатируют при
температуре 70оС в течение 15-20 минут, после чего нейтрализуют
20%-м раствором лимонной кислоты. Значение рН раствора после
внесения гидрата окиси и едкого натра должно быть не менее 10,0.
Нейтрализация раствора молочного сахара должна начинаться при
значениях рН 8,8-9,0. Раствор молочного сахара нейтрализуется до
228
значения рН 6,5-6,8. Количество раствора лимонной кислоты при
этом должно составлять около 4,0 дм3 на 1 м3 перерабатываемого
раствора молочного сахара. Нейтрализованный раствор подается на
фильтрацию. Фильтрация также производится на фильтр-прессах.
Очищенный раствор направляется на сгущение в вакуум-выпарных
установках любой конструкции при температуре не выше 700С. Готовность сгущенного раствора определяется по плотности, которая
при температуре 70оС должна быть 1300 кг/м3. Сгущенный раствор
направляется на охлаждение и кристаллизацию.
Кристаллизация осуществляется в ваннах-кристаллизаторах,
обеспечивающих охлаждение и перемешивание раствора. Режим
кристаллизации лактозы следующий: раствор медленно (со средней
скоростью 2-3оС в час) охлаждают при непрерывном перемешивании до температуры 5-10оС. По достижении указанной температуры
раствор выдерживают в течение 1-2 ч.
Полученный кристаллизат направляют на центрифугирование
для отделения кристаллов лактозы. Операция центрифугирования
выполняется на центрифугах фильтрующегося или разделительного
типов. Кристаллы лактозы, выделившиеся в процессе центрифугирования, направляются на повторное растворение.
Физико-химические и органолептические показатели сиропа
лактулозы приведены в табл. 6.6.
Таблица 6.6
Физико-химические и органолептические
показатели сиропа лактулозы
Показатели
Норма
Показатели
Норма
Массовая доля (%):
Титруемая кислотность, оТ 20-25
сухих веществ, не менее
50,0 Активная кислотность, рН 5,5-6,5
лактулозы, не менее
32,0 Плотность, кг/м3
1300
золы, не более
2,8
Удельное вращение, рад
-5+10
Органолептические показатели
Внешний вид и Однородная, слегка вязкая жидкость. Допускается наличие
консистенция небольшого кристаллического осадка, легко растворимого
при нагревании до 60-70оС
Вкус и запах
Сладкий, чистый, без посторонних привкусов и запахов
Цвет
От светло-коричневого до темно-коричневого
Готовый сироп лактулозы расфасовывают в тару, плотно закрывают крышками и пломбируют. Хранить сироп можно при темпера229
туре 10-15оС не более 3-х месяцев со дня выработки. В дальнейшем
его используют в технологии молочных продуктов, напитков, в т.ч.
алкогольных, соков, десертов, хлебобулочной продукции и т.д.
Контрольные вопросы и задания
1. Кто является основоположником учения о пробиотиках?
2. Что представляют собой бифидобактерии? Какова предельная кислотность сквашивания при их использовании в молоке?
3. Дайте характеристику пробиотикам, пребиотики и эубиотикам.
4. Какая страна является родоначальником исследований по пробиотикам?
5. Что такое «идеальный бифидус-фактор»
6. Какие ученые внесли значительный вклад в развитие лактулозы?
7. Каковы основные этапы получения и свойства лактулозы?
8. Какие культуры получили наибольшее использование в технологии мясопродуктов?
9. Какие биохимические физиолого-биохимические свойства микрофлоры
учитывают в технологии функциональных ферментированных молочных
продуктов?
10. Перечислите основные свойства пробиотической микрофлоры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Биологически активные добавки в питании / В.А. Тутельян, Б.П. Суханов, А.Н. Австриевских, В.М. Позняковский. - Томск, 1999. - 293 с.
2. Данилов М.Б. Теоретические и практические основы производства
пробиотических продуктов с использованием -галактозидазы и эубиотиков. - Улан-Удэ, 2003. - 130 с.
3. Донченко Л.В., Надыкта В.Д. Безопасность пищевого сырья и продуктов питания. - М.: Пищевая промышленность, 1999. - 352 с.
4. Доронин А.Ф., Шендеров Б.А. Функциональное питание. - М.: Грантъ,
2002. - 296 с.
5. Касьянов Г.И., Тамова М.Ю. Биотехнология получения и применения
экстрактов и структурообразователей. - Краснодар: «Экоинвест», 2002. 229 с.
6. Кругляков П.М., Ексерова Д.Р. Пена и пенные пленки. - М.: Химия,
1990. - 432 с.
7. Лонцин М., Мерсон Р. Основы пищевых производств: Пер. с англ. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.- 384 с.
8. Осинцев А.М. Развитие фундаментального подхода к технологии молочных продуктов: Монография. - Кемерово, 2004. -152 с.
9. Пищевая химия / А.П. Нечаев, С.Е. Траубенберг, А.А. Кочеткова и др.
Под ред. А.П. Нечаева. - СПб.: ГИОРД, 2001. - 592.
230
10. Позняковский В.М. Гигиенические основы питания и экспертизы продовольственных товаров. - Новосибирск, 1996. - 432 с.
11. Политика здорового питания. Федеральный и региональный уровни / В.И. Покровский, Г.А. Романенко, В.А. Княжев, Н.Ф. Герасименко,
Г.Г. Онищенко, В.А. Тутельян, В.М. Позняковский. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2002. - 344 с.
12. Попов А.М. Физико-химические основы технологий полидисперсных
гранулированных продуктов питания. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2002. - 324 с.
13. Промышленная микробиология / З.А. Аркадьева, А.М. Безбородова,
И.Н. Блохина и др.; Под ред. Н.С. Егорова. - М.: Высшая школа, 1989. 688 с.
14. Рогов И.А., Горбатов А.В., Свинцов В.Я. Дисперсные системы мясных и молочных продуктов. - М.: Агропромиздат, 1991. - 463 с.
15. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых
продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1974. - 583 с.
16. Свириденко Ю.Я. Биотехнологические аспекты интенсификации сыродельного производства: Дис… д-ра биол. наук в виде научного доклада.
- М., 1999. - 55 с.
17. Сергеев В.Н. Оптимизация ассортимента и состава молочных продуктов в рациональной структуре питания населения: Автореф. дис.... д-ра
техн. наук. - М., 1989. - 58 с.
18. Сергеев В.Н. Пищевая промышленность России в рыночной экономике (1990-2003 гг.) // Пищевая промышленность, 2003. - №1. - С. 42-46.
19. Сергеев В.Н. Пищевая промышленность России в рыночной экономике (1990-2003 гг.) // Пищевая промышленность, 2003. - №3. - С. 40-44.
20. Спиричев В.Б., Шатнюк Л.Н., Позняковский В.М. Обогащение пищевых продуктов витаминами и минеральными веществами. Наука и технология / Под общ. ред. В.Б. Спиричева. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2004. - 548 с.
21. Способы получения сухой лактулозы / В.Д. Харитонов, Ю.И. Филатов, Д.В. Харитонов, В.В. Ким // молочная промышленность, 2000. - № 4. С. 35-36.
22. Степаненко П.П. Микробиология молока и молочных продуктов. Сергиев Посад: «Все для Вас - Подмосковье», 1999. - 415 с.
23. Технология консервирования плодов, овощей, мяса и рыбы / Под ред.
Б.Л. Флауменбаума. - М.: Колос, 1993. - 320 с.
24. Уманский М.С. Селективный липолиз в биотехнологии сыра. - Барнаул, 2000. - 245 с.
25. Федеральный и региональный аспекты политики здорового питания:
Материалы международного симпозиума / Под ред. акад. В.А. Тутельяна,
проф. В.М. Позняковского. - Новосибирск: Сибирское университетское
издательство, 2002. - 243 с.
231
26. Флауменбаум Б.Л., Танчев С.С., Гришин М.А. Основы консервирования пищевых продуктов. - М.: Агропромиздат, 1986. - 494 с.
27. Химия пищи. Книга 1: Белки: Структура, функции, роль в питании /
И.А. Рогов, Л.В. Антипова, Н.И. Дунченко, Н.А. Жеребцов. В 2-х кн. Кн.1.
- М.: Колос, 2000. - 384 с.
28. Хорольский В.В. Направленное использование микроорганизмов в
мясной промышленности: Дис…. д-ра техн. наук. - М.: МТИММП, 1988. 369 с.
29. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Рациональная переработка и использование белково-углеводного молочного сырья. - М.: Молочная промышленность, 1998. - 105 с.
30. Храмцов А.Г., Харитонов В.Д., Евдокимов И.А. Лактулоза и функциональное питание. Развитие рынка функционального питания. История
лактулозы // Молочная промышленность, 2002. - № 6. - С. 29-30.
31. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. - М.:
Высшая школа, 2004. - 445 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА………...…...……………………………………3
Глава первая. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ…...…………………………………5
Краткая справка о состоянии пищевой промышленности.......................5
Структура питания населения России.............................................................15
Перспективы развития перерабатывающих отраслей АПК..................18
Принципы реализации государственной политики в области здорового питания..................................................................................................................22
Контрольные вопросы и задания.......................................................................30
Глава вторая. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ.......30
Классификация и методы расчета дисперсных систем продуктов
питания………………………………………………………………………………....30
Порошки и гранулы………………………………………………………………...45
Гели…………………………………………………………………………...………....54
Эмульсии…………………………………………………………………………..…..69
Пены…………………………………………...………………………………………...74
232
Контрольные вопросы и задания.......................................................................83
Глава третья. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ И
ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ………………………………………………………...…….……83
Этапы развития биотехнологии...……………………....………..……………83
Ферменты как объект биотехнологии…………………....……………….....88
Использование ферментов в аналитической практике…………….…102
Использование ферментных препаратов в технологии продуктов
питания………………………………………………………………………………..105
Микроорганизмы как объект биотехнологии……………………………120
Использование микроорганизмов в качестве регуляторов технологических процессов…………………………………………………………….....129
Использование микроорганизмов в качестве источников незаменимых нутриентов …………………………………………………………………...137
Использование микроорганизмов и ферментных препаратов для
гидролиза лактозы ……………………………………………………….………142
Медико-биологические аспекты биотехнологии…………….…………148
Контрольные вопросы и задания.....................................................................152
Глава четвертая. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КОНСЕРВИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ….………………………………………………….152
Общие вопросы консервирования продуктов……………..…………….152
Физические методы консервирования……………………………..………157
Химические методы консервирования………………..…………………...170
Физико-химические методы консервирования……………….…………177
Биохимические методы консервирования………………...……...………186
Комбинированные методы консервирования……………….……...........186
Контрольные вопросы и задания.....................................................................190
Глава пятая. СОВРЕМЕННЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ…………...……………190
Общие вопросы создания функциональных продуктов……………...191
Моделирование состава и свойств продуктов с целью придания им
функциональных свойств………………………………………..…………..…198
Глава шестая. ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТОВ ПРОБИОТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ……………................208
Понятие о пробиотиках и пребиотиках……………………………………208
233
Практические аспекты создания продуктов пробиотического назначения…………………………………………………………………………..……….216
Характеристика и перспективы использования лактулозы в технологии продуктов питания……………………………………………………….223
Контрольные вопросы и задания.....................................................................223
ЛИТЕРАТУРА.…………………………………………...……………………....230
Учебно-методическое издание
ПРОСЕКОВ
Александр Юрьевич
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА
ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
Подписано в печать .
Формат 6084/16.
Объем 14,6 п.л.
234
Отпечатано на ризографе.
Тираж 1000 экз.
Заказ №
Кемеровский технологический институт
пищевой промышленности.
650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47.
Отпечатано в лаборатории множительной техники
Кемеровского технологического института
пищевой промышленности.
650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская,52
235