- •Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
- •Зм 1.2. Мікроорганізми у сировині та готових продуктах харчування 33
- •Зм 1.3. Мікроорганізми у виробництві харчової продукції 77
- •Модуль 1. Мікроорганізми у виробництві та зберіганні харчової продукції зм 1.1 організація та життєдіяльність бактерій, дріжджів і плісеневих грибів Лекція 1. Вступ. Історія розвитку мікробіології
- •1. Значення мікробіології в умовах сучасного виробництва й споживання
- •2. Основні етапи розвитку мікробіології, вірусології і імунології
- •4. Імунологічний період.
- •5. Період відкриття антибіотиків
- •6. Сучасний молекулярно-генетичний період
- •3. Перспективи розвитку мікробіології
- •Лекція 2. Особливості будови та життєдіяльності мікроорганізмів
- •1. Об’єкти вивчення в мікробіології
- •2. Основні властивості живих організмів
- •2.1. Характерний хімічний склад
- •2.2. Обмін речовин і енергії
- •3. Клітинна організація мікроорганізмів
- •4. Особливості зростання бактеріальних популяцій
- •Лекція 3. Принципи класифікації мікроорганізмів
- •1. Основні поняття щодо класифікації мікроорганізмів
- •2. Основи класифікації бактерій
- •Лекція 4. Мікробіологічні процеси в промисловості
- •1. Мікробіологічна промисловість
- •2. Промислові мікробіологічні процеси
- •Зм 1.2. Мікроорганізми у сировині та готових продуктах харчування Лекція 5.Мікробіологія м’ясної сировини та продуктів соління і зберігання в холодильнику
- •1. Осіменіння м'яса тварин мікроорганізмами
- •2. Осіменіння м'яса птиці мікроорганізмами
- •3. Ветеринарно-санітарні вимоги до цехів післязабійного вмісту, забою худоби і оброблення туш
- •4. Мікрофлора м'яса і м'ясопродуктів при холодильному зберіганні, засолі й сушці в умовах вакууму
- •Лекція 6. Мікробіологія ковбасних виробів і м’ясних консервів: основні групи мікроорганізмів
- •1. Осіменіння ковбасного фаршу мікроорганізмами
- •2. Вплив решткової мікрофлори на якість ковбасних виробів при зберіганні
- •3. Санітарно-гігієнічні вимоги при виробництві ковбасних виробів
- •4. Джерела мікрофлори консервованих продуктів
- •5. Вплив решткової мікрофлори на якість консервів
- •6. Санітарно-гігієнічні вимоги до виробництва консервів
- •Лекція 7. Мікробіологія яєць та яйцепродуктів
- •1. Осіменіння яєць мікроорганізмами
- •2. Розвиток мікроорганізмів в яйці при зберіганні
- •3. Мікрофлора яйцепродуктів
- •4. Санітарно-гігієнічні вимоги при виробництві яєць і яйцепродуктів
- •Лекція 8. Мікробіологія молока та молочних продуктів
- •1. Мікробіологія молока
- •2. Псування жирів
- •3. Псування масла
- •1. Мікробіологія зерна
- •2. Мікробіологія сировини
- •3. Мікробіологія готового хлібу
- •Лекція 10. Мікробіологія плодів і овочів
- •1. Класифікація овочевих культур
- •2. Класифікація мікроорганізмів плодів і овочів
- •3. Хвороби плодів і овочів, що викликаються мікроорганізмами
- •4. Класифікація хвороб плодів і овочів
- •5. Зовнішні ознаки захворювань
- •6. Мікробіологія квашених (солоних, мочених) овочів і плодів
- •Зм 1.3. Мікроорганізми у виробництві харчової продукції Лекція 11. Мікроорганізми у виробництві сиру
- •1. Технологія виробництва сиру
- •2. Особливості виробництва основних різновидів сиру
- •3. Джерела надходження мікрофлори в сир
- •Лекція 12. Мікроорганізми у виробництві пива
- •1. Етапи виробництва пива
- •2. Зачаття пива
- •3. Затирання
- •4. Фільтрування затору
- •5. Кип'ятіння сусла з хмелем
- •6. Освітлювання пивного сусла
- •7. Охолоджування сусла
- •8. Бродіння
- •9. Останні технологічні етапи
- •Лекція 13. Мікроорганізми у виробництві вина
- •1. Загальні відомості про виноробство
- •2. Класифікація вин за кольором, призначенням, способом приготування і складом
- •3. Характеристики типів вин
- •4. Обробка мезги
- •5. Освітлювання і обробка сусла
- •6. Бродіння сусла
- •7. Бродіння мезги
- •8. Підброджування сусла і мезги
- •9. Спиртування сусла і мезги
- •10. Переробка відходів виноробства
- •Лекція 14. Мікроорганізми у виробництві м’ясних продуктів
- •1. Ризики потрапляння мікроорганізмів до продукту на різних етапах виробництва
- •2. Зміна мікрофлори фаршу при виробленні варених і напівкопчених ковбасних виробів
- •3. Зміна мікрофлори фаршу при виробленні копчених ковбас
- •4. Ризики потрапляння мікроорганізмів до продукту на різних етапах виробництва м’ясних консервів
- •Лекція 15. Основи утворення тіста, випечених напівфабрикатів і виробів
- •1. Основи технології хлібопечення
- •1.1. Роль молочнокислих бактерій і дріжджів в хлібопеченні
- •1.2. Хлібопекарські раси дріжджів і молочнокислих бактерій
- •1.3. Чинники, що впливають на розмноження і біохімічну активність молочнокислих бактерій і дріжджів у тісті
- •1.4. Мікробіологічні процеси в тісті при випічці
- •2. Вимоги до компонентів тіста
- •2.1. Вплив білків і крохмалю муки на властивості тіста
- •2.2. Вплив інших рецептурних компонентів на властивості тісту і виробів
- •3. Особливості технології випічки житнього хліба
- •4. Вимоги до дотримання умов виробництва при отриманні чорного хліба
- •Лекція 16. Біотехнології – виробництво майбутнього
- •1. Субстрати для культивування мікроорганізмів з метою отримання білка
- •2. Технологія отримання мікробних ліпідів
- •3. Мікроорганізми – продуценти ліпідів
- •4. Живильне середовище для отримання ліпідів
- •Список джерел:
Лекція 4. Мікробіологічні процеси в промисловості
Питання лекції:
1. Мікробіологічна промисловість:
а) створення середовища,
б) стерилізація,
в) отримання культури,
г) зростання в промисловому ферментері (біореакторі),
д) виділення і очищення продуктів,
е) переробка і ліквідація відходів ферментації.
2. Промислові мікробіологічні процеси:
а) вирощування мікробної біомаси;
б) отримання продуктів метаболізму мікроорганізмів;
в) отримання ферментів мікробного походження;
г) отримання рекомбінантних продуктів;
д) біотрансформація речовин.
1. Мікробіологічна промисловість
Мікробіологічна промисловість – виробництво будь-якого продукту за допомогою мікроорганізмів. Здійснюваний мікроорганізмами процес називають ферментацією; ємність, в якій він протікає, називається ферментером (або біореактором).
Процеси, що протікають за участю бактерій, дріжджів і цвілевих грибів, людина застосовувала сотні років для отримання харчових продуктів і напоїв, обробки текстилю та шкіри, але участь в цих процесах мікроорганізмів була чітко показана тільки в середині ХІХ століття.
У ХХ столітті промисловість використовувала всю різноманітність чудових біосинтетичних здібностей мікроорганізмів, і тепер ферментація займає центральне місце в біотехнології. З її допомогою отримують різноманітні хімікалії високого ступеня чистоти і лікарські препарати, виготовляють пиво, вино, ферментовані харчові продукти. В усіх випадках процес ферментації розділяється на шість основних етапів:
1) створення середовища,
2) стерилізація,
3) отримання культури,
4) зростання в промисловому ферментері (біореакторі),
5) виділення і очищення продуктів,
6) переробка і ліквідація відходів ферментації.
Розглянемо кожний з цих етапів.
Створення середовища. Перш за все, необхідно вибрати відповідне культуральне середовище. Мікроорганізми для свого зростання потребують органічних джерел вуглецю, відповідного джерела азоту і різних мінеральних речовин. При виробництві алкогольних напоїв в середовищі мають бути присутніми осолоджений ячмінь, вичавки з фруктів або ягід. Наприклад, пиво зазвичай роблять з солодового сусла, а вино – з виноградного соку. Окрім води і, можливо, деяких добавок, ці екстракти і складають ростове середовище.
Середовище для отримання хімічних речовин і лікарських препаратів набагато складніше. Найчастіше як джерело вуглецю використовують цукор і інші вуглеводи, але нерідко масла і жири, а інколи вуглеводні. Джерелом азоту зазвичай служать аміак і солі амонію, а також різні продукти рослинного або тваринного походження: соєва мука, соєві боби, мука з насіння бавовнику, мука з арахісу, побічні продукти виробництва кукурудзяного крохмалю, відходи боєнь, рибна мука, дріжджовий екстракт. Складання і оптимізація ростового середовища є вельми складним процесом, а рецепти промислового середовища – секретом, що ретельно оберігається.
Стерилізація. Середовище необхідно стерилізувати, щоб знищити всі забруднюючі мікроорганізми. Самі ферментер і допоміжне устаткування теж стерилізують. Існує два способи стерилізації: пряма інжекція перегрітої пари і нагрівання за допомогою теплообмінника. Бажаний ступінь стерильності залежить від характеру процесу ферментації. Вона має бути максимальною при отриманні лікарських препаратів і хімічних речовин. Вимоги ж до стерильності при виробництві алкогольних напоїв менш строгі. Про такі процеси ферментації говорять як про «захищені», оскільки умови, які створюються в середовищі, такі, що в них можуть зростати тільки певні мікроорганізми. Наприклад, при виробництві пива ростову середовище просто кип'ятять, а не стерилізують; ферментер також використовують чистим, але не стерильним.
Отримання культури. Перш ніж зачати процес ферментації, необхідно отримати чисту високопродуктивну культуру. Чисті культури мікроорганізмів зберігають в дуже невеликих об'ємах і в умовах, що забезпечують її життєздатність і продуктивність; зазвичай це досягається зберіганням при низькій температурі. Ферментер може вміщати декілька сотень тисяч літрів культурального середовища, і процес зачинають, вводячи в неї культуру (інокулят), що становить 1-10% об'єму, в якому йтиме ферментація. Таким чином, початкову культуру слід поетапно (з пересівами) ростити до досягнення рівня мікробної біомаси, достатнього для протікання мікробіологічного процесу з необхідною продуктивністю.
Абсолютно необхідно весь цей час підтримувати чистоту культури, не допускаючи її зараження сторонніми мікроорганізмами. Збереження асептичних умов можливе лише при ретельному мікробіологічному і хіміко-технологічному контролі.
Зростання в промисловому ферментері (біореакторі). Промислові мікроорганізми повинні зростати у ферментері при оптимальних для утворення необхідного продукту умовах. Ці умови строго контролюють, стежачи за тим, щоб вони забезпечували зростання мікроорганізмів і синтез продукту. Конструкція ферментера повинна дозволяти регулювати умови зростання – постійну температуру, pH (кислотність або лужність) і концентрацію розчиненого в середовищі кисню.
Звичайний ферментер є закритим циліндровим резервуаром, в якому механічно перемішуються середовище і мікроорганізми. Через середовище прокачують повітря, інколи насичене киснем. Температура регулюється за допомогою води або пари, що пропускаються по трубках теплообмінника. Такий ферментер з перемішуванням використовується в тих випадках, коли ферментативний процес вимагає багато кисню. Деякі продукти, навпаки, утворюються в безкисневих умовах, і в цих випадках використовуються ферментери іншої конструкції. Так, пиво варять при дуже низьких концентраціях розчиненого кисню, і вміст біореактору не аеруєтся і не перемішується. Деякі пивовари до сих пір традиційно використовують відкриті ємкості, але в більшості випадків процес йде в закритих циліндрових ємкостях, що не аеруються, які звужуються донизу, що сприяє осіданню дріжджів.
У основі отримання оцту лежить окислення спирту до оцтової кислоти бактеріями Acetobacter. Процес ферментації протікає в ємкостях, званих ацетаторами, при інтенсивній аерації. Повітря і середовище засмоктуються мішалкою, що обертається, і поступають на стінки ферментера.
Виділення і очищення продуктів. Після закінчення ферментації в бульйоні присутні мікроорганізми, невикористані живильні компоненти середовища, різні продукти життєдіяльності мікроорганізмів і той продукт, який бажали отримати в промисловому масштабі. Тому даний продукт очищають від інших складових бульйону. При отриманні алкогольних напоїв (провина і пиво) досить просто відокремити дріжджі фільтруванням і довести до кондиції фільтрат. Проте індивідуальні хімічні речовини, що отримуються шляхом ферментації, екстрагують з складного за складом бульйону. Хоча промислові мікроорганізми спеціально відбираються відповідно своїм генетичним властивостям так, щоб вихід бажаного продукту їх метаболізму був максимальний (у біологічному сенсі), концентрація його все ж мала в порівнянні з тією, яка досягається при виробництві на основі хімічного синтезу. Тому доводиться удаватися до складних методів виділення – екстрагування розчинником, хроматографії і ультрафільтрації.
Переробка і ліквідація відходів ферментації. При будь-яких промислових мікробіологічних процесах утворюються відходи: бульйон (рідина, що залишилася після екстракції продукту виробництва); клітки використаних мікроорганізмів; брудна вода, якою промивали установку; вода, що застосовувалася для охолоджування; вода, що містить в кількостях слідів органічні розчинники, кислоти і луги. Рідкі відходи містять багато органічних сполук; якщо їх скидати в річки, вони стимулюватимуть інтенсивне зростання природної мікробної флори, що приведе до збіднення річкових вод киснем і створення анаеробних умов. Тому відходи перед видаленням піддають біологічній обробці, щоб зменшити вміст органічного вуглецю.