ПРОМИСЛОВЕ ВИКОРИСТАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ
МОЛОЧНОКИСЛЕ БРОДІННЯ
Багато напрямків практичного використання молочнокислих бактерій виникли в далекій давнині, коли люди стихійно почали застосовувати їх у повсякденному житті. Перші наукові дослідження цих мікроорганізмів були проведені Л. Пастером; результати їх опубліковані в 1857 р. З тих пір молочнокислі бактерії постійно залучають до себе увагу дослідників. На основі їх використання створюються і розвиваються багато галузей народного господарства. Успішно розробляються також способи боротьби з тими молочнокислими бактеріями, що наносять утрату харчовій і бродильній промисловості.
ПРОМИСЛОВЕ ВИКОРИСТАННЯ МОЛОЧНОКИСЛИХ БАКТЕРІЙ
Молочна промисловість. Свіже молоко за звичайних умов одержання містить мікроорганізми (кілька тисяч у 1 мл), джерелом яких може бути вим'я, шкіра тварин, посуд і апаратура, повітря й обслуговуючий персонал. При поганих санітарних умовах кількість бактерій у молоці може досягти сотень тисяч і мільйонів у 1 мл.
У молоці, одержаному при дотриманні санітарних правил переважають мікрококи і невелика кількість ентерококів Забруднене молоко засіяне ентеробактеріями, молочнокислими і гнильними бактеріями. Тривале збереження молока при температурі вище 10 °С веде до зміни розвитку в ньому певних груп мікроорганізмів, що окреслюється декількома фазами.
Бактерицидна фаза характеризується тим, що після доїння в молоці не відзначається розмноження бактерій завдяки дії таких речовин, як лактенин 1 і лактенин 2. Продовжити цю фазу можна шляхом негайного охолодження молока після доїння.
Фаза змішаної мікрофлори характеризується розвитком усіх груп мікроорганізмів, що є в молоці. До кінця фази молочнокислі бактерії переважають над іншими мікроорганізмами.
Фаза молочнокислих бактерій визначається переважним розвитком даних мікроорганізмів, що викликають сквашування молока. При збереженні його молочнокислі стрептококи відмирають, а кількість молочнокислих паличок поступово збільшується.
Фаза дріжджів і міцеліальних грибів настає при розвитку цих мікроорганізмів у молоці, що має високу кислотність. Остання поступово знижується завдяки життєдіяльності грибів, що створює сприятливі умови для розвитку гнильних мікроорганізмів, що розкладають білки молока.
Для збереження молока застосовують теплову обробку, що включає пастеризацію чи стерилізацію. Пастеризацію проводять при різних режимах, наприклад, при 63—65°С впродовж 30 хв, при 74—76°С впродовж 15—20 хв. і при 85—87°С без витримки. Ефективний спосіб підвищення стійкості молоко - стерилізація, звичайно здійснювана при 105—115°С впродовж близько 30 хв.
Молочнокисле бродіння відіграє провідну роль при одержанні багатьох кисломолочних продуктів, масла, сиру.
Для забезпечення активного бродіння застосовують рідкі чи сухі закваски, до складу яких входять чисті культури певних видів молочнокислих бактерій. Підбираючи компоненти заквасок, необхідно враховувати специфічні властивості продукту, що виготовляється: характер взаємини між компонентами заквасок; стійкість молочнокислих бактерій до присутніх в молоці природних інгібіторів, що обумовлюють його бактерицидність; стійкість до антибіотиків і ряду дезинфікуючих речовин, що знаходяться в молоці.
Важливо, щоб молочнокислі бактерії заквасок були стійкі до бактеріофагів. Фаги стрептококів молочної групи широко поширені в збірному сирому молоці, пастеризованому молоці, сироватці сирного чана. У виробничих заквасках виявлені фаги, активні у відношенні лактобацил (наприклад, L. helveticus, L. lactis), використовуваних при готуванні сирів, а також йогурту. Природним джерелом бактеріофагів є ґрунт і рослини, а в молоко вони попадають з кормів, зі шкіри і вимені тварин і т.д. У виробничих умовах інактивація фага досягається нагріванням молока при 90 °С не менш 30 хв. Чергування заквасок, що включають неспоріднені за фагочутливістю штами, — обґрунтований захід щодо боротьби з накопиченням фага у виробництві.
Готування кисломолочних виробів ґрунтується на використанні специфічних для кожного виробу заквасок. Так, наприклад, при одержанні кисляку звичайної застосовують Streptococcus lactis, S. lactis subsp. diacetilactis. Ці види, а також S. cremoris вводять у закваски і для одержання сметани. Сир виготовляють із застосуванням S. lactis і S. lactis subsp. diacetilactis; для прискореного одержання продукту використовують рівні кількості і термофільних S. thermophilus і мезофільних стрептококів; сквашування ведуть при 38—40°С. На використанні термофільних стрептококів і лактобацилл (L. bulgaricus) засноване готування ряжанки, йогурту.
Ацидофільне молоко й ацидофільну пасту одержують сквашуванням пастеризованого молока L. acidophilus. Ряд продуктів — кефір, кумис, чал, курунга й ін. — готують з використанням багатокомпонентних заквасок, у які крім молочнокислих бактерій уводять дріжджі, а часто й оцтовокислі бактерії. У кумисі виявляють звичайно Lactobacillus bulgaricus, S. thermophilus, Saccharomyces lactis, Sacch, cartilaginosus, Acetobacter aceti.
Для виробництва кефіру як закваску використовують «кефірні грибки», а також штучні закваски. Вважають, що тіло грибка являє собою переплетення нитковидних грампозитивних бактерій; на поверхні грибка в ущільненому шарі знаходяться дріжджі і молочнокислі стрептококи, а у внутрішньому пухкому комірчастому шарі — оцтовокислі бактерії. До складу підібраних для кефіру заквасок уводять молочнокислі бактерії, дріжджі й оцтовокислі бактерії; останні сприяють створенню густої консистенції закваски і кефіру, а також специфічного смаку.
У закваски для готування кисловершкового масла вводять S. lactis, S. cremoris як кислотоутворювачі, а S. lactis subsp. diacetilactis як продуцент ароматичних речовин (диацетилу, ацетоїну); останні іноді накопичуються до 10— 30 мг/л молока. При одержанні масла потоковим способом при 30°С гарні результати дає застосування закваски, що складає з L. bulgaricus, L. acidophilus і 5. lactis subsp. diacetilactis, а також закваски, що включає 5. thermophilus і S. lactis subsp. diacetilactis.
Дозрівання сирів відбувається під впливом сичугового ферменту і протеаз молочнокислих бактерій, що уже з моменту пресування сирної маси є основними серед мікроорганізмів, що входять у сири. Установлено ведуча роль молочнокислих бактерій у протеолітичному розщепленні білків у процесі дозрівання сирів. Вони відіграють також деяку роль у дозріванні сиру, розщеплюючи жир молока. Існує пряма залежність між ступенем дозрівання сиру, його смаком, ароматом і вмістом у ньому вільних амінокислот, що накопичуються протеолітично активними молочнокислими бактеріями. Вважають, що ведуча роль в утворенні характерного смаку і запаху сиру все-таки належить продуктам перетворення амінокислот. Лейцин і валін можуть служити попередниками 3-метилбутанола і 2-метилпропаната — з'єднань, що додають специфічний смак сиру чеддер. Певна роль у створенні смаку сиру належить органічним (у тому числі летучим) кислотам, утвореним молочнокислими бактеріями. Газоутворювальні штами останніх (не тільки пропіоновокислі бактерії) створюють у деяких сирах малюнок — вічка. Роль молочнокислих бактерій у сирі зводиться і до придушення розвитку небажаних мікроорганізмів (маслянокислих бактерій). Для сирних заквасок підбирають протеолітично активні штами молочнокислих бактерій, склад останніх визначається технологією готування сиру.
Виробництво хлібопродуктів
Істотну роль у створенні смаку й аромату хліба, особливо житнього, а також його засвоюваності грають різні види гомо- і гетероферментативних молочнокислих бактерій. У результаті зброжування цукрів у тісті вони утворюють вуглекислий газ, молочну й оцтову кислоти, а також етиловий спирт. Гомо- і гетероферментативні лактобацили здійснюють, крім того, протеоліз білків борошна, сприяючи накопиченню в заквасках і тісті азотвмісних водорозчинних речовин, що відіграють певну роль і в створенні аромату хліба. Утворені молочнокислими бактеріями кислоти, не впливаючи на дріжджі, придушують гнильні, маслянокислі, оцтовокислі бактерії і представників ентеробактерій.
У практиці хлібовипікання здавна використовують сприятливі підняттю тіста закваски, що включають штами гомо- і гетероферментативних молочнокислих бактерій.
Біологічне консервування. Молочнокисле бродіння використовується людиною для консервування різних рослинних продуктів харчування — квашення. Цей спосіб їх збереження має ряд переваг:
у продукти, як правило, не вводяться хімічні консерванти і вони не піддаються великим термічним впливам;
збереження продукту досягається завдяки розвитку в ньому молочнокислих бактерій;
речовини, що утворюються в процесі їх життєдіяльності (особливо молочна кислота), впливають на мікроорганізми — потенційні збудники псування (гнильні, маслянокислі й ін.);
квашені овочі і фрукти здобувають приємні органолептичні властивості і впливають на організм людини.
Молочнокисле бродіння знаходить широке застосування і для біологічного консервування різних кормових рослинних матеріалів — силосування.
Силосування — складний мікробіологічний процес. З рослинною масою в силососховище потрапляє величезна кількість різноманітних мікроорганізмів. Під час силосування на відмерлих рослинах багато хто з них починають бурхливо розмножуватися. Живильним для середовищем мікроорганізмів при цьому служать головним чином соки рослин. Одна з основних задач техніки силосування — створення умов для життєдіяльності молочнокислих бактерій і придушення шкідливих мікроорганізмів.
Після закладки рослинної маси в силосні спорудження і щільної утрамбовки аеробні бактерії починають швидко відмирати. Активно розмножуються бактерії, здатні до росту в анаеробних умовах, — представники ентеробактерій, Clostridium, Bacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Pediococcus і Lactobacillus. У перші дні після закладки в силосі з групи молочнокислих бактерій домінують коки (педиококки, S. faecalis, S. faecium, S. faecalis subsp. liquefaciens, Leuc. mesenterоides). З'являються в цей період і молочнокислі палички— L. brevis, L. casei, L. fermenti, L. plantarum. Особливо важливу роль грають стрептококи; вони здатні конкурувати з грамнегативними бактеріями в початковий період силосування.
У період силосування від 8 до 15 діб домінуючі на початку бродіння стрептококи витісняються, збільшується кількість педіококів, лейконостоків і гомоферментативних, а пізніше гетероферментативних лактобацил. В основній і кінцевій стадіях бродіння силосу ведучу роль відіграють паличкоподібні молочнокислі бактерії (L. brevis, L. plantarum} і педіококи.
Поступове зменшення загального числа бактерій, що починається після 15 діб силосування, охоплює період приблизно в 60 діб. Кількість мікроорганізмів за цей час знижується до 1 млн. у 1 г (у період 1—8 діб при 22—40 °С може досягати мільярда).
Спрямованість мікробіологічних процесів у рослинній масі, закладеної в силосні спорудження, визначається рядом факторів. У силосі з невеликою кількістю цукру ріст молочнокислих бактерій припиняється в більш ранній термін, чим у силосі з високим змістом цукру. Внесення додаткових живильних речовин (меляси, цукрового борошна, борошна і солоду) у силосну масу, що складається з малоцукристих рослинних матеріалів, для спрямованого стимулювання розвитку цих мікроорганізмів давно успішно використовується на практиці.
Квашення капусти здійснюється в присутності повареної солі. Її додають до нарізаної капусти в кількості 1,5%. Добавка солі дозволяє витягти сік з рослинних тканин, придушити розвиток небажаних мікроорганізмів і цим сприяє життєдіяльності молочнокислих бактерій.
У підготовленій для квашення капусті через кілька годин при спонтанному бродінні розвиваються ентеробактерії і інші види, що сприяють утворенню ряду продуктів (мурашиної, оцтової кислот, невеликого кількості молочної і бурштинової кислот, етанолу і газоподібних з'єднань), що додають їй специфічний запах. Незабаром починають швидко розмножуватися молочнокислі гетероферментативні коки (Leuc. mesenteroides і ін.); вони стають переважними до кінця 2—3-х діб бродіння. Саме ці організми вважають відповідальними за запах доброякісного продукту. Крім молочної кислоти коки утворять оцтову кислоту, етиловий спирт, ефіри, С02, маніт; присутність останнього додає капусті гіркуватий присмак.
Через 4—6 діб бродіння кокові форми змінюються в основному гомоферментативними молочнокислими паличками (L. plantarum і ін.), що накопичують до 1,5—2% кислоти і доводять процес молочнокислого бродіння до кінця. L. plantarum використовують маніт і цим усувають гіркий присмак капусти.
Застосування заквасок молочнокислих бактерій при квашенні капусти, так само як і при силосуванні кормів, дає позитивні результати. При вдалому підборі заквасок і правильному їхньому застосуванні поліпшуються органолептичні властивості капусти, при тривалому збереженні в ній краще зберігаються живильні речовини і вітаміни.
Соління огірків — один з найбільше широко розповсюджених прийомів їх консервування. Відібрані овочі заливають розсолом (6—8% повареної солі, у залежності від розмірів огірків) і додають різні спеції. Залиті розсолом огірки в бочках залишають на спеціальних площадках для проходження попередньої ферментації (як правило, при 20—25 °С на 24—48 сут). Ферментація вважається закінченої після нагромадження в розсолі 0,3—0,4% молочної кислоти. Після попереднього бродіння бочки з огірками зберігають при низькій температурі в холодильниках, льодовикових чи буртах у траншеях з льодом і т.д., де протягом 40—45 сут (днів) відбувається подальше нагромадження молочної кислоти (до 1%). Готові солоні огірки крім молочної кислоти містять оцтову кислоту і спирт, сліди гліцерину і маніту, невеликі кількості ароматичних речовин. Використання при засолюванні огірків заквасок молочнокислих бактерій дає позитивні результати, але ще не широко застосовуються в практиці.
Квашення яблук також засновано на застосуванні молочнокислого бродіння. Яблука в ємкостях рекомендується заливати розсолом, що містить до 1,5% повареної солі, 3% цукру, 1% ячмінного чи житнього солоду (у виді солодового сусла), 0,25% сухої гірчиці. У сприятливих температурних умовах (12—19°С) попередня ферментація проходить протягом 8—10 діб при цьому в розсолах накопичується 0,3—0,4% молочної кислоти. Потім яблука поміщають у холодильник, де молочнокисле бродіння продовжується до утворення 0,6—1,5% молочної кислоти. Гарні результати дає використання в цьому процесі молочнокислих бактерій L. plantarum і холодостійкої шампанської раси дріжджів Saccharоmyces cerevisiae. Закваски додають у кількості 0,5%. Солоні яблука, приготовлені у виробничих умовах із застосуванням чистих культур мікроорганізмів, мають значно кращі показники, чим засолені без заквасок.
При засолюванні яблук, помідорів, буряка, маслин і інших овочів спонтанне молочнокисле бродіння протікає за участю тих же видів мікроорганізмів, про які згадувалося вище при описі процесів заквашування інших рослинних продуктів.
Молочнокислі бактерії розвиваються при так званому «мокрому» способі обробки кави. Певну роль вони відіграють і в процесі замочування зерна при виробництві кукурудзяного крохмалю. Молочнокисле бродіння протікає також при виготовленні квасу.
Процеси бродіння відіграють важливу роль при виробництві таких продуктів харчування, як корейське «кімчі» - одержується при зброджуванні китайської капусти, редису й інших овочів; індійського «ідлі» — кислих коржів з рису і неочищеного чорного горошку, філіппінських «путо» — кислих рисових коржів, нігерійського «огі» — кислої каші з кукурудзи, чи сорго проса, «гару» — крапчатого крохмалистого продукту з коренів маніоку й інших національних харчових продуктів.