8. Классификация пищевых производств из сырья растительного происхождения

Существует многообразие продуктов, производимых на предприятиях пищевых отраслей промышленности, соответственно существует многообразие пищевых производств, направленных на превращение растительного сырья в нужные человеку пищевые продукты или полуфабрикаты, из которых будут произведены пищевые продукты.

Для упрощения изучения многообразия производственных процессов их можно разбить на 4 группы:

– бродильные производства (производства пищевой биотехнологии), в которых при проведении основных технологических процессов используются микроорганизмы, например, производство хлебопекарных дрожжей, хлеба, спирта, пива, виноградного вина, слабоалкогольных продуктов, лимонной и молочной кислот и т.д. Отличительной особенностью этой группы производств является то, что микроорганизмы, ассимилируя углеводы из их водных растворов и кислород, обеспечивают себя веществами для дыхания, энергией синтеза материалов для строения клеток при их размножении, синтеза целевого продукта. При этом дыхание может происходить как с участием кислорода воздуха – аэробное дыхание, так и без участия кислорода воздуха – анаэробное дыхание;

– физико-химические производства, в которых используются физические способы извлечения продукта из сырья и химические методы их дальнейшей переработки, например, производство сахара, растительных масел, крахмала, некоторых кондитерских изделий и т.д.;

– механико-теплофизические производства, в основе которых лежат механические и теплофизические процессы, например, смешение, разделение, сепарирование, измельчение, обработка давлением (выпрессовывание, вальцевание, штамповка и др.), тепловое кондиционирование, выпечка, сушка, обжарка, стерилизация и т.д. К этой группе относится обширная группа пищевых производств: мукомольно-крупяное, макаронное, кондитерское и др.;

– химические производства, в основе технологических процессов которых находятся химические реакции, например, получение патоки и пищевой глюкозы путем гидролиза крахмала с применением неорганических и биологических катализаторов, производство саломасов (твердых жиров) из жидких растительных масел с применением каталитического гидрирования (насыщения водородом двойных и тройных связей атомов углерода в молекулах жирных кислот), получение синтетического этилового спирта путем гидратации природного газа этилена и т.п.

Сущность многих технологических процессов, расчет их параметров и применяемого оборудования студенты изучают в курсе “Процессы и аппараты пищевых производств”, поэтому не будем останавливаться на них, подробнее рассмотрим только биотехнологические процессы, происходящие в пищевых производствах.

9. Биотехнологические процессы в пищевых производствах

9.1. Строение дрожжевой клетки

Так как в биотехнологических процессах основной продукт получают с использованием микроорганизмов, то представляется интересным рассмотреть их строение. В качестве микроорганизмов  продуцентов в пищевых производствах чаще всего используют дрожжи, реже – микроскопические грибы и бактерии.

Дрожжи – наиболее распространенные микроорганизмы, используемые в пищевых производствах. Они применяются в хлебопечении, виноделии, производстве спирта, пива и др. Правда, во всех этих производствах используются разные виды, расы и штаммы дрожжей. Однако строение их клеток одинаково. Кроме того, все виды микроорганизмов имеют подобное строение за исключением их формы и размеров.

Дрожжи представляют собой одноклеточные микроорганизмы растительного происхождения. В отличие от ряда бактерий и микроскопических грибов дрожжи размножаются почкованием, а при неблагоприятных условиях – путем спорообразования.

Дрожжи могут иметь овальную, яйцевидную, округлую, реже цилиндрическую форму клетки. Размеры у различных видов 2…10 мкм в поперечнике и 2...20 мкм в длину.

Клетка состоит из клеточной стенки (цитоплазматической мембраны), цитоплазмы, ядра, вакуолей, содержащих включения гранул полифосфатов. В цитоплазме имеются жировые капли, митохондрии, рибосомы и другие элементы.

Клеточная стенка состоит из сложных углеводов, полисахаридов в комплексе с липидами и азотистыми соединениями. Оболочка имеет наружный и внутренний слой. Наружный слой является местом расположения эндоферментов и ферментов – переносчиков, обеспечивающих перенос питательных веществ против градиента концентрации. Внутренний слой – полупроницаемая мембрана.

Цитоплазма – вязкая коллоидная масса, состоящая из воды, белков, липидов и углеводов. От клеточной стенки она отделена цитоплазматической мембраной. Перемещение различных веществ в клетку и продуктов метаболизма (жизнедеятельности клетки) наружу осуществляется через эту мембрану. Вязкость цитоплазмы изменяется в зависимости от условий внешней среды.

Каждая клетка имеет ядро, которое содержит хромосомы, состоящие из генов, несущих наследственное начало. Ядро содержит дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и нуклеопротеиды, которые несут наследственную информацию клетки.

Рибосомы (микросомы) состоят из липидов и белков, а также из рибонуклеиновой кислоты (РНК), ответственной за синтез белковых молекул, в том числе ферментов.

Митохондрии – разрозненные округлые или несколько удлиненные тельца, состоящие из липидов, структурированного белка и ферментов. Они ответственны за обмен веществ в клетке.

Вакуоли – полости, образующиеся в цитоплазме при старении клеток. Они заполнены жидкостью и ограничены слоем белков и липидов.

Кроме того, в клетках имеются различные включения, играющие роль запасных веществ.

При культивировании дрожжей в производственных условиях наблюдают 4 фазы их развития.

1. Лаг-фаза характеризуется накоплением до 10% биомассы. При этом дрожжами усваивается сравнительно большое количество фосфорных и азотистых соединений. Продолжительность лагфазы 3...4 ч.

2. Логарифмическая фаза, при которой накапливается наибольшее количество клеток: они мелкие, так как почкование клеток опережает их рост, но большая удельная поверхность клеток обеспечивает высокую скорость биохимических процессов, в частности, образование спирта.

3. Стационарная фаза характеризуется медленным накоплением биомассы, отложением запасных питательных веществ в клетках, осуществлением биохимических процессов превращения углеводов в спирт и диоксид углерода.

4. Фаза затухания, при которой заканчиваются гидролитические и синтетические процессы, уменьшается биомасса дрожжей.

Различают молодые, зрелые и старые дрожжи. Молодые клетки имеют тонкую оболочку, однородную цитоплазму, происходит их энергичное почкование. У зрелых дрожжей цитоплазма зернистая, появляются вакуоли и другие включения. Число почкующихся клеток достигает 15%. Старые дрожжи почти не почкуются, имеют неоднородную цитоплазму, утолщенную оболочку, много мертвых клеток.

Дрожжи являются факультативным анаэробом, т.е. они проявляют жизненные функции в присутствии кислорода воздуха (аэробный процесс) и в его отсутствии (анаэробный процесс). В первом случае энергия получается в результате полного окисления органических веществ

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + 2870 кДж.

Энергия расходуется клетками на синтез биомассы, т.е. на рост и размножение.

При отсутствии воздуха клетки для осуществления своих жизненных функций используют кислород, заключенный в органических веществах,

C₆H₁₂O₆ = 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 234 кДж.