§ 1.4. Роль основних біотехнологічних процесів при виробництві харчових продуктів

Хімічним і біохімічним перетворенням відводиться надзви­чайно важлива роль при виробництві пива, вина, спирту, хлі­ба, кондитерських виробів, рослинних масел, дріжджів, глю­кози і фруктози, різних жирів, інвертного цукру тощо, а також при збереженні рослинної сировини та готових продуктів.

Швидкість цих перетворень має велике значення в інтенсифі­кації технологій харчових продуктів. Вплив різних факторів, умов і параметрів на швидкість хімічних і біохімічних перетво­рень називається хімічною кінетикою, яка характеризується зміною концентрації однієї з реагуючих речовин за одиницю часу. При розрахунках швидкості реакції слід розглядати одну або кілька з вихідних (початкових) речовин, концентрація яких під час хімічних і біохімічних перетворень збільшується або зменшується.

Основними факторами, які впливають на швидкість усіх хі­мічних і біохімічних реакцій при переробленні харчової сиро­вини, є концентрація реагуючих речовин, температура та при­сутність каталізатора (ферментів та ін.)-

Збільшення концентрації взаємодіючих речовин — один із найбільш універсальних прийомів інтенсифікації технологіч­них процесів у харчовій промисловості. Наприклад, збільшен­ня концентрації цукрів у суслі до 50% і проведення його збро­джування у спиртовій промисловості уможливлять зниження собівартості етилового спирту на 30-40%.

Температура — теж важливий фактор, який визначає швид­кість хімічних і біохімічних реакцій у харчових технологіях. Вплив температури і концентрації реагуючих речовин на швидкість реакцій пояснюється теорією активних зіткнень, за якою хімічна взаємодія між молекулами різних компонентів можлива лише при ефективному їх зіткненні. Тобто в хімічну реакцію вступають тільки ті молекули, які мають відповідну енергію. Молекули, що мають таку енергію, іменують актив­ними. Надлишкова енергія молекул називається енергією ак­тивації і залежить як від природи вступаючих в реакцію речо­вин, так і від температури середовища.

Для перебігу хімічних і біохімічних реакцій у харчових тех­нологіях потрібно розірвати міжмолекулярні зв’язки реагуючих речовин. Якщо при зіткненні молекули мають велику енергію і її достатньо для розриву зв’язків, хімічна реакція відбудеться, а якщо енергія молекул менша за необхідну, зіткнення буде не­ефективним і реакція не почнеться.

При підвищенні температури середовища кількість активних молекул збільшується і водночас збільшується число зіткнень між ними, в результаті чого швидкість хімічних реакцій зрос­тає. При збільшенні концентрації реагуючих речовин загальне число ефективних зіткнень молекул також збільшується, і як наслідок — швидкість реакції зростає.

Велике значення для прискорення хімічних і біохімічних реакцій має каталізатор. Його присутність у харчовій сиро­вині, яка переробляється на продукти харчування, прискорює реакції в тисячі разів. При цьому реакції можуть відбуватись і за низьких температурах, що вигідно з економічного погляду.

У харчових технологіях багато гомогенних реакцій каталі­зуються дією іонів Н⁺ і ОН". До таких реакцій належать інверсія сахарози, гідроліз складних ефірів, зокрема жирів. Іони мета­лів каталізують реакції окиснення та гідролізу. Наприклад, іони міді каталізують окислення аскорбінової кислоти, а тому обладнання й апарати для переробки плодів, ягід та овочів не слід виготовляти з міді та її сплавів. Окиснення харчових жи­рів прискорюється під дією іонів заліза, міді, марганцю, атому жир не потрібно зберігати в металевій тарі.

Більшість каталічних реакцій у присутності каталізатора мають позитивний характер, тобто такий каталізатор значно прискорює хімічні та біохімічні реакції. Але в харчових техно­логіях іноді діє й негативний каталіз, коли каталізатор знижує швидкість реакцій. Такий каталізатор називається інгібіто­ром. А коли інгібітор гальмує процес окиснення, його назива­ють антиоксидантом, або антиокиснювачем.

Зберігання і переробка харчової сировини, а також збері­гання готових продуктів харчування пов’язані переважно з ре­акціями гідролізу та окиснювально-відновними реакціями (меланоїдиноутворення, сульфітація, окиснення тощо).

Гідроліз характеризується розкладанням складних речовин (білків, жирів, вуглеводів) на простіші речовини під дією кис­лот і лугів з приєднанням молекул води. Так, цукроза при на­гріванні з кислотами (молочною, лимонною, винною) гідролі­зується до утворення інвертного цукру — суміші глюкози та фруктози у рівних частках:

^12^22^11 Н₂0 = С₆Н₁₂0₆ + С₆Н₁₂0₆.

Характерна особливість цукрози полягає в тому, що швид­кість реакції її гідролізу в тисячі разів більша, ніж швидкість реакції гідролізу мальтози або лактози.

Інвертний цукор, тобто суміш глюкози і фруктози, має такі характерні особливості, як гігроскопічність й антикристаліза- ція. Антикристалізаційні властивості інвертного цукру умож­ливлюють його широке використання при виробництві карамелі та інших продуктів і напоїв. Заміна цукру на глюкозу і фрукто­зу в харчових продуктах має лікувально-профілактичний ха­рактер у житті людини.

Важлива роль у харчовій технології належить гідролізу крох­малю, який при кип’ятінні з кислотами перетворюється на глю­козу. До проміжних продуктів у процесі гідролізу крохмалю належать такі полісахариди, як декстрини.

Надзвичайно складним окиснювально-відновним процесом у харчових технологіях є меланоїдиноутворювання, коли низь­комолекулярні продукти розпаду білків (пептиди, амінокисло­та) вступають в реакцію із цукрами (фруктозою, глюкозою, мальтозою). В результаті такої реакції амінокислоти і цукри роз­кладаються, утворюючи темнозабарвлені продукти, які нази­ваються меланоїдинами.

Утворення меланоідинів — основна причина потемніння хар­чових продуктів під час їх виготовлення, особливо при сушінні та термічній обробці. Надзвичайно інтенсивно ця реакція про­тікає за температур, вищих від оптимальних (при випіканні хлібобулочних і борошняних кондитерських виробів, у процесі уварювання цукрових розчинів, при сушінні та термічній об­робці карамельного солоду в пивоварінні, у процесі теплової обробки вин, при виготовленні фруктово-ягідних пюре, соків, повидла та ін.).

При виготовленні деяких харчових продуктів і напівфабри­катів створюють спеціальні умови для реакції меланоїдино- утворення. Це одержання пшеничного хліба з приємним сма­ком і ароматом, темного, карамельного та житнього солоду.

При виробництві житнього солоду, який використовується при виготовленні хлібного квасу, під час пророщування жита зерно підлягає спеціальній біотехнологічний обробці — фер­ментації під дією протеолітичних, амілолітичних і цитолітич- них ферментів. При цьому проходить інтенсивний гідроліз біл­ків, вуглеводів та інших речовин. У результаті таких реакцій в солоді накопичуються амінокислоти і цукри, які за підви­щеної температури утворюють меланоїдини, що надають май­бутньому напою або іншим продуктам приємного смаку, аро­мату та кольору.

Велику роль при збереженні жирів, масел та жировмісних продуктів відіграє процес окиснення, який пов’язаний із хіміч­ними перетвореннями під дією світла, кисню та ферментів. За відсутності кисню процес окиснення не відбувається. А при­сутність у жирах кисню та солей металів як каталізаторів знач­но підвищує швидкість окиснення. Водночас, наявність у жирах та жировмісних продуктах антиоксидантів знижує швидкість їх окиснення. Найактивнішим натуральним антиоксидантом є вітамін Е.

Усі біохімічні і біотехнологічні процеси у харчових техноло­гіях відбуваються за участю ферментів — біологічно активних природних каталізаторів білкового походження. Йдеться про одержання хліба та хлібобулочних виробів, вина, пива, спирту, чаю, амінокислот, органічних кислот, вітамінів, антибіотиків тощо. Ферментативні процеси відіграють також важливу роль при зберіганні харчової сировини та готової продукції (зернових і бобових культур, плодів, ягід, овочів, жиру, жировмісних про­дуктів тощо).

Кінетика біохімічних процесів залежить від низки факто­рів: концентрації ферменту та субстрату, біохімічної природи реагуючих речовин, температури та реакції середовища pH, присутності активаторів і інгібіторів. Швидкість біохімічних процесів при переробленні харчової сировини залежить здебіль­шого від природи субстрату та його «атакованості», тобто піддат­ливості до дії ферментів, що залежить від складу та структури субстрату.

Наприклад, атакованість амілолітичними ферментами крох­малю, одержаного з різних зернових культур, неоднакова. Во­на збільшується зі зменшенням розмірів крохмальних зерен, тобто при механічній дії на структуру зерен крохмалю. Але дія амілаз на крохмаль незначна порівняно з їх дією на клейстери- зований крохмаль.

Тому в тих галузях харчової промисловості, де крохмаль є джерелом утворення цукрів внаслідок розщеплення його амі­лолітичними ферментами, зерно або борошно клейстеризують шляхом розварювання. Така технологічна обробка застосовуєть­ся у хлібопекарській, паточній і спиртовій галузях промисловості.

Атакованість білка протеолітичними ферментами залежить від будови білкової молекули. Чим міцніша структура білку, тим менша ефективність атакуємості ферментів.

Найінтенсивніший вплив на активність ферментів і швид­кість біохімічних процесів у харчовій сировині мають температу­ра і реакція середовища. Із підвищенням температури актив­ність ферментів зростає і досягає максимуму за оптимальної температури для кожного окремо взятого ферменту. Температур­ний оптимум для ферментів рослинного походження становить близько 40-50° С. Зниження активності ферменту при підвищен­ні температури пов’язано з процесами денатурації білку, оскіль­ки фермент — це органічний природний каталізатор білкового походження. Повне припинення дії ферменту відбувається за температур, близьких до 100° С (це не стосується термофільних ферментів, які витримують коротке нагрівання до температу­ри, вищої за 100° С).

Крім того, кожен фермент виявляє свою активність у відпо­відних межах значення pH. Зона найбільшої акгивності фермен­ту називається оптимальною зоною pH. Різні ферменти значно відрізняються за оптимальним для їх дії значенням pH. Одні мають високу активність у кислому середовищі, другі — в нейт­ральному, треті — в лужному. Наприклад, пепсин у шлунковому соці має оптимум дії при рН 2,0, а-амілаза — при рН 4,7-5,2. Слід зазначити, що оптимальне значення рН для активної дії ферменту залежить також від хімічного складу субстрату.

У біотехнологічних процесах харчових технологій мають міс­це і інгібітори ферментів, які знижують їх активність. Дія інгі­біторів характеризується блокуванням сульфгідрильних зв’язків ферменту і перетворенням їх у дисульфідні групи. Інгібірування ферменту може проходити також під дією білкових нерозчин­них осадів. Це сполуки солей важких металів (ртуті, свинцю, вольфраму), різних кислот та ін. Оксид вуглеводу СО інгібірує низку окиснювально-відновних ферментів, до складу яких вхо­дить залізо або мідь.

Ферменти забезпечують послідовність багатьох складних біохімічних перетворень у клітинах тварин, харчової рослинної сировини, напівфабрикатів і мікроорганізмів.

Усі ферменти за своєю структурою поділяють на дві групи: ферменти, до складу яких входять тільки білки та є однокомпо­нентними, і ферменти, до складу яких входять білкові й органічні речовини небілкової природи. Останні ферменти є двокомпонент­ними і становлять основну масу всіх ферментів.

Важливими біологічно активними речовинами багатьох фер­ментів є вітаміни та їх похідні. До складу багатьох ферментів входять метали як кофактори, які надають їм відповідну актив­ність. Наприклад, кофактором а-амілази є кальцій. Ряд фер­ментів підсилюють свою активність у присутності магнію, цин­ку, марганцю, міді та молібдену.

Усі ферменти, як природні каталізатори, прискорюють реак­ції в біотехнологічних процесах харчових технологій в 10-10² ра­зів. Це набагато більше, ніж активність хімічних каталізаторів. Важливою особливістю ферментів є те, що вони каталізують перетворення лише однієї якої-небудь речовини. До переваги ферментів перед хімічними каталізаторами слід віднести ту обставину, що вони діють за відносно низьких температур (від 20 до 70° С) та нормального тиску.

Таким чином, усі біохімічні процеси, які відбуваються при виробництві харчових продуктів та їх зберіганні, пов’язані з дією як своїх ферментів харчової сировини, так і з дією ферментів, які виробляються мікроорганізмами і використовуються у вигляді ферментних препаратів.

У сировині ферменти перебувають у вільному або зв’язано­му вигляді. Наприклад, при пророщуванні зернових культур

активність ферментів підвищується, що пов’язано з процесами їх звільнення.

Застосування ферментних препаратів у харчовий промисло­вості дає можливість інтенсифікувати біотехнологічні проце­си, поліпшувати якість готової продукції, збільшувати її вихід та заощаджувати енергоресурси.

Надзвичайно велика роль у технології харчових продуктів на­лежить мікроорганізмам, за допомогою яких виробляють фермен­ти, харчові та кормові білки, вітаміни, амінокислоти, антибіоти­ки, органічні кислоти, ліпіди, гормони, припарати для сільського господарства тощо. Крім того, у харчовій промисловості мікроор­ганізми використовуються для одержання цілої низки харчових продуктів і напоїв. Так, алкогольні і безалкогольні напої (вино, коньяк, пиво, спирт, ферментовані безалкогольні напої) одержу­ють за допомогою дріжджів і молочнокислих бактерій. У хлібо­пекарській промисловості використовують дріжджі і бактерії, в молочній промисловості — молочнокислі бактерії і т. п.

У бродильній промисловості основним біологічним проце­сом є бродіння, яке супроводиться такими мікроорганізмами, як дріжджі. Бродіння — це перетворення вуглеводів та орга­нічних сполук у низку нових речовин під дією ферментів, які продукуються мікроорганізмами.

До основних груп мікроорганізмів, які використовуються в різних галузях харчової промисловості, належать бактерії, дріжджі і плісняві гриби.

Дріжджі широко застосовуються як збудники бродіння при виробництві пива, спирту, вина, хлібного квасу, ферментованих напоїв, а також у хлібопекарській промисловості для розрихлення тіста. Для харчової промисловості велике значення мають дріж­джі — сахароміцети, які утворюють спори і діляться на кілька ро­дів. Рід поділяється на види, а окремі різновиди видів діляться на раси. У кожній галузі застосовуються відповідні раси дріжджів.

Культурні дріжджі, які застосовуються у бродильній промис­ловості, належать до сімейства сахароміцетів Saccharomyces cerevisiae, оптимальний температурний режим для їх розмножен­ня перебуває в межах 25-30° С.

За температури 40° С розмноження дріжджів зупиняється і клітини відмирають. Низькі температури дріжджі переносять добре, але при цьому їх розмноження зупиняється.

Дріжджі поділяються на дві групи — верхового і низового бро­діння. Кожна група має кілька окремих рас. Дріжджі верхового бродіння на стадії інтенсивного зброджування зосереджуються на поверхні середовища у вигляді товстого шару піни і залиша­ються в такому стані до закінчення бродіння. Потім вони осіда­ють без утворення щільного шару. Дріжджі низового бродіння, оболонка яких клейка, швидко злипаються і осідають на дно бродильного апарата. До культурних дріжджів низового бро­діння належить більшість пивних і винних дріжджів, а до дріж­джів верхового бродіння — хлібопекарські, спиртові та деякі пивні дріжджі.

Деякі раси дріжджів здатні зброджувати високі концент­рації цукру — до 60% і витримувати високі концентрації спир­ту — до 16% .

Для розвитку, розмноження та росту мікроорганізмів потріб­на енергія, методи добування якої в них найрізноманітніші.

Більшість мікроорганізмів живуть за рахунок енергії, яка утворюється при окисненні різних сполук киснем. Такі мікро­організми називаються аеробами. Але є й такі мікроорганізми, які добувають енергію без участі кисню повітря, а за рахунок окиснювально-відновних реакцій між органічними і неорга­нічними сполуками, що містяться в субстраті. Такі мікроорга­нізми називають анаеробними. Кисень пригнічує їх розвиток.

Існують також проміжні мікроорганізми. Це факультативні аероби і анаероби. Відомі факультативні мікроорганізми (дріж­джі), які здатні залежно від умов розвитку переключатися з аеробного на анаеробний тип одержання енергії для свого роз­витку. Анаеробні мікроорганізми, до яких належать бактерії і деякі дріжджі, одержують енергію для своєї життєдіяльності переважно під час бродіння. Прикладом такого типу одержан­ня енергії може слугувати спиртове бродіння, яке здійснюєть­ся дріжджами в анаеробних умовах:

С₆Н₁₂0₆ = 2С₂Н₅ОН + 2С0₂ + 118 кДж.

Молочнокислі бактерії, які є факультативними анаеробами, без участі кисню здійснюють молочнокисле бродіння, що ха­рактеризується перетворенням молекули глюкози у дві моле­кули молочної кислоти з виділенням енергії:

С₆Н₁₂0₆ = 2СН₃СНОНСООН + 75 кДж.

Для інтенсивного розвитку мікроорганізмів, ефективного їх розмноження та здійснення біосинтезу якої-небудь речови­ни потрібні такі оптимальні умови:

• наявні склад і концентрація речовин живлення;

• присутність активаторів і інгібіторів;

• оптимальна температура;

• оптимальний тиск;

• оптимальне значення рН;

• інтенсивне перемішування середовища;

• оптимальне освітлення та ін.

Для свого розвитку мікроорганізмам потрібна ціла низка елементів і сполук. До них належать: вуглевод, азот, фосфор, макро- і мікроелементи, біологічно активні речовини, а також солі К, Мп, Ге та ін.

Якщо на клітини мікроорганізмів діють високі концентра­ції речовин або шкідливих сполук (токсичних, радіоактивних тощо) в живильному середовищі, то відбувається плазмоліз клі­тини: частинка води виділяється із клітин і протоплазма відді­ляється від клітинної оболонки. Таким чином, життєдіяльність клітини припиняється частково або повністю.

Для мікробіологічних процесів велике значення має реак­ція середовища (рН). Кожна культура мікроорганізмів харак­теризується своїм оптимальним значенням, максимумом або мінімумом рН.

Також велике значення у життєдіяльності мікроорганізмів має кисень. Для аеробних мікроорганізмів він життєво необ­хідний, а для анаеробних є гальмом для розвитку. Для факуль­тативно-анаеробних мікроорганізмів, наприклад дріжджів, цей фактор не має суттєвого значення.

Споживання кисню клітинами залежить від їх концентра­ції у живильному середовищі. Чим значення концентрації клі­тин вище, тим більше потреба в підсиленні аерації.

Велике значення дня розвитку мікроорганізмів має окисню- вально-відновний потенціал, який виражається в мілівольтах або негативним логарифмом тиску молекулярного водню гН₂. Таким чином, ступінь аеробності чи анаеробності характеризу­ється величиною окиснювально-відновного потенціалу. Індекс гН₂ аналогічний рН, але рН відображає ступінь кислотності або лужності, а гН₂ — ступінь аеробності. Факультативно аеробні і анаеробні мікроорганізми розвиваються в широкому діапазо­ні гН₂ — від 0 до ЗО.

Надзвичайно велике значення для розвитку та росту мікро­організмів має температура середовища. Більшість мікроорга­нізмів, які застосовуються в харчовій промисловості, є мезофі­лами, їх розвиток проходить за оптимальної температури 25-35 °С. Психрофільні мікроорганізми ростуть при температу­рі середовища 0-15° С, а термофільні — від 55 до 75° С.

Нормальне функціонування мікроорганізмів з оптимальним обміном речовин, ростом і розмноженням відбувається тільки тоді, коли у клітині є достатня кількість води і вона міститься у вільному середовищі з розчиненими живильними речовинами та сполуками. При зменшенні вмісту води знижується інтен­сивність біохімічних реакцій. Вода є не тільки реакційним се­редовищем і розчинником речовин: при взаємодії з водою від­бувається безліч біохімічних реакцій за участю гідролітичних ферментів, у результаті яких утворюються нові речовини з но­вими властивостями та характеристиками.

Таким чином, коли в середовищі є водний розчин і живиль­ні речовини, а також зберігаються оптимальні значення темпе­ратури, pH, кількості кисню та ін., всередині клітин мікроор­ганізмів і на їх поверхні розпочинаються ферментативні процеси, тобто обмін речовин з навколишнім середовищем. З речовин, які надходять до клітини, утворюються нові струк­турні елементи та внутрішньоклітинні речовини, відбувається асиміляція. Водночас здійснюються процеси розпаду речовин — дисиміляція. Ріст і розмноження клітин відбувається тоді, ко­ли перші процеси переважають над другими. Як результат рос­ту та розмноження клітин у середовищі збільшується біомаса.

Кількість біомаси визначається за сухою масою клітин в оди­ниці об’єму (мг/л, г/л, кг/м³), а якщо клітини мають однакові роз­міри, то за числом клітин в одиниці об’єму (млн/мл, млрд/мл).

Для багаторазового використання в харчовій промисло­вості ферментних препаратів і мікроорганізмів (дріжджів, мо­лочнокислих бактерій та ін.) і переходу на безперервні біотех- нологічні процеси необхідно вдосконалювати і впроваджувати у виробництво систему їх іммобілізації на екологічно чистих носіях.

ПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ ДО РОЗДІЛУ 1

1. Характеристика теорії адекватного харчування.

2. Принципи екологічного та лікувально-профілактичного харчування.

3. Роль функціональних продуктів харчування.

4. Роль окиснювально-відновних процесів у формуванні сма­ку і аромату харчових продуктів.

5. Роль бактерій, пліснявих грибів та дріжджів у виробницт­ві окремих продуктів харчування.

Розділ 2. ЕКОНОМІЧНІ АСПЕКТИ

В ХАРЧОВІЙ І ПЕРЕРОБНІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ УКРАЇНИ