СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОДСЛАЩИВАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Производство одного из первых синтетических подслащи­вающих веществ — сахарина — было организовано еще в 1884 г. Натриевая соль сахарина обладает сладким вкусом, превосходя­щим сахарозу в 500 раз; она хорошо растворима в воде и в спирте. Сахарин прошел проверку на токсичность и разрешен ФАО для применения во всех странах как синтетическое подслащивающее вещество в количестве 15мг/кг при производстве кондитерских изделий, диетических сыров, напитков для больных диабетом или соответственно 2,5 мг на 1 кг массы взрослого человека в сутки.

В настоящее время сахарин вытесняется новыми низкокало­рийными сахарозаменителями: пептидами, получившими назва­ние (по одной формирующей их аминокислоте) аспартамов:

Сладкие дипептиды — аспартамы индифферентны к микроор­ганизмам и могут быть использованы как пищевые добавки. Они безопасны при потреблении диабетиками, не вызывают развитие кариеса зубов, нетоксичны, неканцерогенны и разрешены к ис­пользованию в пищу.

Аспартамы выпускают в гранулированном и порошкообразном виде и применяют для изготовления газированных и негазирован­ных напитков, кондитерских изделий, жевательной резинки, дже­мов, повидла, конфитюров.

В пищеварительном тракте происходит гидролиз аспартама на две аминокислоты. Аспартам устойчив при комнатной температу­ре, в таких условиях не теряет стабильности в течение 5 лет. При нагревании выше 150 °С он распадается, поэтому аспартам воз­можно использовать при подслащивании продуктов, не требую­щих термической обработки, например мороженого и крема. Ас­партам (торговое название Нутрисвит) широко используют при производстве диетических напитков.

Триптофан — незаменимая аминокислота, в 25—50 раз слаще сахарозы. Его производные также обладают сладким вкусом, в том числе D-6-трифторметилтриптофан, D-6-хлортриптофан (в 1300 раз слаще сахарозы) и др.

За рубежом широко используют различные синтетические сахарозаменители с высоким коэффициентом сладости (ацесульфам-К, цикламаты, перилартин, отизон, неотам и др.).

Таким образом, число подслащивающих веществ, используе­мых в производстве продуктов питания, достаточно велико. При­родные подслащивающие вещества в основном безопасны для здоровья человека, использование же синтетических требует тща­тельной дозировки и ограниченного применения.

Биотехнологическими методами получен ряд весьма эффектив­ных продуктов, заменителей сахарозы. Так, из растения Thaumatococcus damelli, произрастающего в Судане, в клетки Е. coli был трансплантирован ген, детерминирующий синтез сверхсладкого белка тауматина. Рекомбинантная бактерия стала продуцентом сладкого белка, который производят на нескольких биотехноло­гических заводах и применяют в пищевой промышленности в качестве искусственного подсластителя. Из южноамериканского растения Stevia rebaudiana в клетку Е. coli трансплантирован ген сладкого белка стевиозида. С помощью генной инженерии или путем совмещения микробного синтеза с химической трансфор­мацией микробных метаболитов получен ряд эффективных под­сластителей.

Рассмотренный ранее дипептид аспартам образован молекула­ми фенилаланина и аспарагиновой кислоты; обе молекулы можно синтезировать микробиологическим путем, а аспартам из этих мо­номеров — с помощью ферментов.

На основе фруктозы создается новый класс подсластителей — заменителей сахарозы, фруктозилолигосахаридов, в состав кото­рых входят от 2 до 5 остатков фруктозила. Они не разрушаются в организме человека, имеют сладкий вкус и безвредны. Про­дуцируют их микроорганизмы, содержащие фруктозилтрансферазу (представители родов Aspergillus, Fusarium, Aureobasidium). Создан полунепрерывный биотехнологический процесс на основе иммобилизованных в геле альгината кальция (2%-го) клеток Aureobasidium pullulans. Клетки продуцента осуществляют кон­версию сахарозы в течение 60 сут при температуре 50 °С, рН 5,5 и скорости протока 0,05 ч^-1. Выход фруктозилолигосахаридов со­ставляет 55 %.

Перспективным направлением является использование гидролизатов крахмала (мальтин, мальтодекстрин, мальтозная патока) в качестве сахарозаменителей в продуктах питания, особенно функ­ционального назначения.

В технологиях этих продуктов, разработанных во ВНИИ крахмалопродуктов, используют картофельный и кукурузный крахмал.

Катализаторами процесса гидролиза крахмала являются амилолитические ферментные препараты как отечественного, так и зарубежного производства. На стадии разжижения крахмала при­меняют водный экстракт сухого ячменного солода, обладающий а-амилазной, β-амилазной и глюкоамилазной активностями. В качестве бактериальной ос-амилазы используют отечественный фер­ментный препарат Амилосубтилин Г10Х, обладающий также не­большой протеолитической, β-глюканазной и глюкоамилазной активностями. На стадии ферментативного осахаривания разжи­женного крахмала применяют водный экстракт ячменного солода, а также ферментный препарат Spezyme BBA.

При применении экстракта ячменного солода получают мальтозную патоку с низким содержанием глюкозы и высоким содер­жанием мальтозы. Однако при этом цветность гидролизатов воз­растает в связи с увеличением в гидролизате массовой доли белка до 0,45 %. При применении ферментного препарата Spezyme BBA снижается продолжительность осахаривания, в гидролизате содер­жится значительно меньше глюкозы — соответственно ее массо­вой доле в разжиженном крахмале.

Согласно разработанным техническим условиям на мальтозную патоку возможно получение трех видов этого продукта, отли­чающихся углеводным составом, %:

Мальтозная патока с низким содержанием глюкозы (марки А) менее гигроскопична, чем карамельная патока, что обусловливает ее применение в кондитерском производстве для получения твер­дой карамели.

Мальтозную патоку марки Б используют как патоку специаль­ного олигосахаридного состава при производстве детского пита­ния на молочной основе. Этот компонент играет двоякую роль: как подсластитель (заменитель свекловичного сахара) и как хоро­шая питательная среда для бифидобактерий.

Мальтозная патока усваивается организмом с меньшей скорос­тью, чем глюкоза, благодаря чему достигается более равномерная гликемическая нагрузка на организм, т. е. поддерживается посто­янный уровень глюкозы в крови.

В последние годы возрос интерес к изучению инулинсодержащих растений и созданию научных основ их переработки в связи с созданием диетических и лечебно-профилактических пищевых продуктов. Одним из нетрадиционных видов инулинсодержащего сельскохозяйственного сырья является якон. Это пищевая и кормовая культура горных районов Анд. Начало интродукции якона в России было положено в 1995 г. Корнеплоды якона содер­жат углеводы в форме полифруктозида — инулина и свободных моносахаридов — глюкозы и фруктозы.

Специфический фермент инулиназа катализирует расщепле­ние гликозидных связей в инулине с образованием главным обра­зом D-фруктозы. В связи с этим был исследован ферментативный гидролиз инулина, содержащегося в яконе, с помощью высоко­активного продуцента инулиназы штамма дрожжей Kluyveromyces marxianus Y-303, обладающего также высокой инвертазной актив­ностью.

При оптимальных условиях (рН 4,5 и температуре 40 °С) фер­мент из дрожжей К. marxianus способен гидролизовать 95 % ину­лина до фруктозы. Полученные гидролизаты из якона могут быть применены для получения глюкозно-фруктозных сиропов, пюре, в качестве добавок и заменителя сахара при производстве хлебо­булочных и кондитерских изделий.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНСЕРВАНТЫ

Особую группу пищевых добавок, замедляющих порчу пище­вых продуктов, представляют антибиотики и другие продукты ме­таболизма микроорганизмов. Применение антибиотиков позволяет продлить срок хранения пищевого сырья и некоторых видов пи­щевых продуктов в 2—3 раза. Обычно антибиотики применяют для обработки свежих растительных продуктов путем их погру­жения в раствор антибиотика на короткий срок или орошения поверхности пищевого продукта раствором различной концен­трации.

Однако использование антибиотиков человеком вместе с пи­щей может привести к нежелательным последствиям, в том числе к нарушению нормального баланса микроорганизмов желудочно-кишечного тракта.

Низин Q₄₃H₂₃₀O₃₇S₇ — один из немногих антибиотиков, раз­решенный в небольших дозах для использования в пищевой про­мышленности. Он быстро разрушается ферментами пищевого тракта до аминокислот.

Использование низина позволяет получать пищевые продукты высокого качества с длительным сроком хранения. Обработка их сведена к минимуму, однако они не подвержены быстрой порче и не представляют опасности для здоровья человека. Минздравсоцразвития РФ разрешено применение низина в пищевой про­мышленности при изготовлении плавленых сыров, овощных продуктов, соков, грибов и консервированных супов, а также в хлебопечении.

Низин — антибиотик полипептидного типа с молекулярной массой около 7000. В его состав входят аминокислоты: лизин, гистидин, аспарагиновая кислота, лантионин, β-метиллантионин, пролин, глицин, аланин, валин, метионин, изолейцин, лейцин, дегидроаланин и β-метилдегидроаланин. Характерная особенность низина — наличие в его составе двух серосодержащих аминокис­лот: лантионина и β-метиллантионина, редко встречающихся в природе. В каждой молекуле низина содержится два остатка лан­тионина и восемь — β-метиллантионина.

По химической структуре низин представляет собой два спа­ренных кольца, каждое из которых состоит из 13 атомов, в том числе одного атома серы:

Антибактериальное действие низина обусловлено особенностя­ми его химического состава и структуры. Отечественная промыш­ленность выпускает препараты низина в виде сухого мелкого по­рошка. В таком виде при температуре 18...22 °С низин сохраняет активность в течение нескольких лет.

Низин продуцируется штаммами Lactococcus lactis, которые ши­роко распространены в природе. По сравнению с другими анти­биотиками он не обладает широким спектром действия на микро­организмы. Подавляет развитие стафилококков, стрептококков, сарцин, бацилл и клостридий, прорастание спор. Механизм дей­ствия низина на микроорганизмы до конца не выяснен.

Наиболее благоприятная среда для биосинтеза низина — обез­жиренное молоко. При использовании сыворотки вместо молока выход низина в 2 раза меньше. Добавление к сыворотке 25 % пеп­синового гидролизата молочнокислых бактерий, картофельной патоки или глюкозы (2,5—5 %) способствует повышению выхода низина до 90 %.

Основные стадии технологического процесса получения низи­на представлены на рисунке 17.1.

Производственный посевной материал готовят в три стадии. Культуру выращивают сначала в обезжиренном молоке (300 см³) с содержанием сухих веществ до 8 % в течение 24 ч, на второй ста­дии — в 4000 см³ обезжиренного молока 22—24 ч, на третьей — в инокуляторе с 80 дм³ обезжиренного молока (рН 6,8—6,9) в тече­ние 18—20ч.

Готовый посевной материал представляет собой густую взвесь дипло- и стрептококков в свернувшемся обезжиренном молоке с рН 4,5—4,7, активность не ниже 50—60мкг/см³.

Производственное культивирование ведут на смеси гидролизата молока с творожной или сырной сывороткой в соотноше­нии 1:2. Гидролизат получают в результате обработки 6%-го обез­жиренного молока протеолитическим ферментом панкреатином при температуре 45 °С и рН смеси 8,1 в течение 24 ч.

В ферментере на питательной среде происходят рост и разви­тие низинобразующего молочнокислого стрептококка. При этом образуется молочная кислота, которая, закисляя среду, тормозит развитие микроорганизма и биосинтез низина. В связи с этим ос­новным условием при выращивании культуры — продуцента ни­зина — является поддержание рН питательной среды в пределах 6,8—6,9. Обычно выращивание культуры заканчивают за 14—15 ч. При этом активность должна быть не ниже 100 мкг/см³.

Культуральную жидкость подкисляют соляной кислотой до рН 1,8—2 и кипятят 3—4 мин. После охлаждения до 40 °С на сепараторе отделяют микробную массу и нерастворимые белки. Низин, содержащийся в нативном растворе, концентрируют флотационным методом. Для этого нативный раствор подще­лачивают 20%-мраствором NaOH до рН 4,5—4,7, добавляют поверхностно-активное вещество типа Твин-80 и пропускают через раствор воздух в течение 2—2,5 ч при температуре 20...25 °С. Большая часть низина (от 50 до 100 %) выходит в пену. Собранную пену разбивают, в образующейся жидкости доводят рН до 1,8—2. Антибиотик высаливают сухой поваренной солью (25% объема жидкости) или осаждают ацетоном (5% объема жидкости).

Высоленный низин отделяют в виде пасты сепарированием или центрифугированием и высушивают в сублимационной су­шилке до остаточной влажности 3,5—4 %. Пасту можно сушить в распылительной сушилке, если приготовить раствор с 4,5—5%-м содержанием сухих веществ. Потери активности при сушке незна­чительны.

После сублимационной сушки препарат измельчают до состоя­ния пудры и стандартизируют NaCl до активности 0,6 • 10⁶ ед/г. Препарат слабо растворяется в воде и хорошо растворяется в 0,02 н. НС1 при подогреве до 80 °С.

В присутствии низина терморезистентность спор микроорга­низмов уменьшается, следовательно, можно понижать температу­ру или продолжительность стерилизации продукта, что положи­тельно сказывается на его качестве.

Возможно консервирование растительных, мясных (говядина, свинина, конина, баранина) и рыбных продуктов путем использо­вания в качестве консервантов неспорообразующих грамположительных бактерий рода Lactobacillus, например, L. plantarum, L. sake, L. curvatus и преимущественно L. casei, штамм LMGP-21007, вводимых в продукты при 2О...44°С в атмосфере воздуха или его смеси с СО₂ и N₂; при этом подавляются рост и развитие пато­генной микрофлоры, например Enterococcus, Pseudomonas, Staphy-lococcus и др., и сохраняются внешний вид, цвет, вкус и другие органолептические характеристики продуктов [бактерии вводят в концентрациях (1—4)10⁹ед/см³ в присутствии стабилизирую­щих веществ, %: декстрина — 5, пептона — 10, экстракта дрож­жей - 0,2].

Известен способ предупреждения порчи пищевых продуктов (молока, йогурта, сыра, плодовых и овощных соков, приправ к са­латам и т. д.) дрожжами, предусматривающий введение в продукт метаболитов, образуемых культурой Propionibacterium. Обезжирен­ное молоко пастеризуют при 87,8 °С в течение 45 мин и охлаждают до температуры 30 °С, после чего его подкисляют 85%-й молочной кислотой до рН 5,3 и инокулируют 0,5 % культуры Propionibacte­rium shermanii. Инокулируемое молоко термостатируют в течение 48 ч при слабом перемешивании и нейтрализуют NaOH до рН 7,0. Затем продукт пастеризуют при температуре 62,8 °С в течение 20 мин, охлаждают до 23 °С, фасуют в стерильную полимерную тару и замораживают. Эффективное предупреждение размноже­ния дрожжей обеспечивается не пропионовой кислотой, а други­ми метаболитами Propionibacterium.

 

Глава 18 ПОДКИСЛИТЕЛИ

Подкислителями считаются пищевые кислоты, использу­емые как вкусовые добавки для придания продуктам «острого» вкуса и для сохранения пищи.

Главными пищевыми кислотами считаются четыре органичес­кие кислоты: лимонная, молочная, уксусная и винная (иногда к ним причисляют яблочную).

Несмотря на значительный прогресс в области органического синтеза, многие пищевые кислоты получают в настоящее время микробиологическим синтезом (табл. 18.1).

Продукты естественного брожения для пищевой промышлен­ности более предпочтительны, чем синтетические кислоты, так как они безвредны для организма человека.

Для получения пищевых кислот используют как традиционные технологии, так и новейшие достижения биотехнологии.

ЛИМОННАЯ КИСЛОТА

Лимонная кислота (СН₂СООН—СОНСООН—СН₂СООН) — трехосновная оксикислота, кристаллизующаяся из водных рас­творов с одной молекулой воды в виде бесцветных, прозрачных кристаллов ромбической формы. Из всех пищевых кислот она об­ладает наиболее мягким вкусом и не оказывает раздражающего действия на слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта. Регуляторами рН пищевых систем являются соли лимонной кис­лоты — цитраты натрия, калия, кальция, магния и аммония.

В природных условиях лимонная кислота встречается главным образом в незрелых плодах цитрусовых, ананасов, груш, инжира, брусники, клюквы и др. Первые заводы по производству кристал­лической лимонной кислоты из природных источников — апель­синов и лимонов — были созданы в Италии в середине XIX в.

В настоящее время по объему производства лимонная кислота является одним их главных продуктов микробного синтеза. Ее об­щий выпуск в различных странах достигает 800 тыс. т в год.

Годовой прирост производства лимонной кислоты составляет 5 % существующего уровня. Около 70 % производимой лимонной кислоты используют в пищевой промышленности, 18—20 % — в виде ее соли, цитрата натрия, для изготовления экологически чис­тых моющих средств.

Многие органические вещества могут быть трансформированы микромицетами в лимонную кислоту, но ее максимальный выход достигается при биосинтезе из сахарозы или фруктозы.

Химизм образования лимонной кислоты. Синтез лимонной кис­лоты связан с циклом дикарбоновых кислот и происходит в ре­зультате конденсации щавелево-уксусной кислоты, содержащей четыре атома углерода и две карбоксильные группы, с уксусной кислотой, имеющей два атома углерода и одну карбоксильную группу (рис. 18.1).

Промышленным способом лимонную кислоту получают из ме­лассы микробиологическим синтезом, применяя главным образом мутантные штаммы микроскопического гриба Aspergillus niger. За­воды малой и средней мощности производят лимонную кислоту поверхностным методом культивирования. Глубинный метод эко­номически выгоден, если мощность завода превышает 2500 т ли­монной кислоты в год.

Меласса считается пригодной для производства лимонной кис­лоты поверхностным способом, если съем лимонной кислоты при контрольном сбраживании составляет не менее 1,25 кг/м² в сутки, глубинным способом —10—12 кг/м³.

Хорошо сбраживаемые мелассы обычно содержат, %: инвертного сахара — не более 1, СаО — 1, SO₂ — 0,06 при общем содер­жании сухих веществ не менее 75 и сахара более 46.

Производство лимонной кислоты включает следующие основ­ные технологические стадии:

• получение посевного материала;

• подготовка мелассы к сбраживанию;

• сбраживание растворов мелассы в лимонную кислоту;

• отделение мицелия;

• выделение из сброженных растворов лимонной кислоты;

• получение ее в кристаллическом виде и высушивание. Тщательно проверенную на микробиологическую чистоту и биохимическую активность музейную культуру используют для приготовления посевного материала. Посевной материал размно­жают в пробирках с агаризованной средой (сусло-агар), а затем в колбах и кюветах — на твердой питательной среде. Длитель­ность каждой стадии 2—7сут, оптимальная температура выра­щивания 32 °С.

В зависимости от способа сбраживания мелассу разбавляют и готовят растворы с различной концентрацией сахара: для поверх­ностного выращивания A. nigerjxo 13—15 %, для глубинного куль­тивирования — 3—4 и 25—28 %. рН приготовленных растворов доводят H₂SO₄ до 6,8—7,5. Для выращивания продуцентов лимон­ной кислоты возможно использование крахмалосодержащего сырья. Предварительно осуществляют гидролиз крахмальной суспензии, содержащей 26—30% СВ, ферментным препаратом бактериаль­ной а-амилазы, взятым в количестве 1,5—2,0 ед. амилолитической активности (АС) на 1 г СВ крахмала, при повышенной температу­ре и избыточном давлении. К гидролизату добавляют минераль­ные соли в виде сульфатов цинка, железа (II), меди в количестве (2,0—7,0)10^-3 г/дм³ гидролизата крахмала.

Поверхностный способ. При этом способе выращива­ния A. niger подготовленную мелассу подают в варочный аппарат, где разбавляют кипящей водой в соотношении 1:1, рН раствора доводят до 6,8—7,2. При кипячении вводят раствор желтой кровя­ной соли для осаждения железа и солей тяжелых металлов с таким расчетом, чтобы избыток свободного ферроцианида, угнетающего развитие микроорганизма, не превышал 10мг%.

Для активного биосинтеза лимонной кислоты в питательной среде кроме сахара должно содержаться 0,07 % азота, 0,02 % Р₂О₅, а также цинк, магний, калий и другие микроэлементы, которые вводят в среду в виде солей. Готовая среда с температурой 45...50 °С поступает в бродильные камеры. Культивирование гриба осуще­ствляют в кюветах из нержавеющей стали или алюминия, установ­ленных на стеллажах. После предварительной стерилизации камер парами формалина, дегазации газообразным аммиаком и охлажде­ния до 30... 40 °С воздухом производят заполнение кювет питатель­ной средой (толщина слоя от 8 до 18 см). В камере предусмотрена система вентиляции для подачи нагретого (до 30...32 °С) стериль­ного кондиционированного воздуха из расчета 3—18 м³/ч на 1 м² по­верхности кювет. В питательную среду через воздуховоды с по­мощью специального устройства для распыления вносят посевной материал из расчета 50—75 мг конидий на 1 м² площади кюветы.

Наиболее эффективный режим культивирования — так называ­емый бессменный способ с доливом. Суть его заключается в том, что раствор мелассы в количестве 30—35% начального объема вводят под пленку гриба. Долив питательной среды производят один или несколько раз, начиная с четвертых-пятых суток роста, через каждые 36—48 ч. Добавляемый раствор мелассы содержит 8,5—11,0 % сахара и не имеет в своем составе питательных солей и антисептиков. Такой режим обеспечивает увеличение съема ли­монной кислоты с 1 м² бродильной поверхности на 15—20% и снижает удельный расход мелассы на 10—45% по сравнению с другими методами.

Брожение прекращают, когда в растворе остается 1—2 % сахара и общая титруемая кислотность в сброженном растворе достигает 12—20 %. Сброженный раствор сливают в сборник. Для промыв­ки мицелия под грибную пленку подливают горячую воду. После слива промывных вод мицелий по вакуум-линии транспортируют в запарник для отмывания от кислоты горячей водой. Кислые рас­творы (концентрация 2,5—6,0%), собранные из-под ложного днища запарника, подают на фильтр-пресс. Выгруженный из за­парника с помощью шнека мицелий используют на корм скоту.

При поверхностном способе выращивания A. niger основные растворы содержат от 12 до 20 % органических кислот в пересчете на лимонную кислоту, 0,5—2,0 % несброженных сахаров и другие продукты метаболизма. Содержание лимонной кислоты в сбро­женных растворах составляет 94—98 %.

Глубинный способ. При глубинном способе выращива­ние A. niger ведут в ферментерах (рис. 18.2). Конидии проращива­ют в посевных аппаратах (инокуляторах).

Раствор мелассы, содержащий 3—4 % сахара, для посевных ап­паратов готовят в варочном аппарате. Мелассу разбавляют кипя­щей водой, устанавливают рН 7,0—7,2, для удаления железа при кипячении добавляют желтую кровяную соль, растворы NH₄CI и MgSO₄ вводят в регламентированных количествах.

Подготовленный раствор стерилизуют при 128...130 °С в течение 12—15 мин. В раствор мелассы, охлажденный в посевном аппарате до 35...36 °С, добавляют стерильные растворы К₂НРО₄ и MgSO₄. Для произ­водственного ферментера раствор мелассы готовят в той же после­довательности. Растворы питательных солей готовят отдельно и стерилизуют при температуре 123... 125 °С. Воду стерилизуют при 128...130ºС.

Подливной раствор должен иметь 25—28%-ю концентрацию по сахару и температуру 34...36 °С, как и основной сбраживаемый раствор. Подливной раствор направляют в сборник. Посевной аппарат засевают предварительно подготовленной суспензией ко­нидий (3 г сухих конидий суспендируют в 2—3 дм³ стерильного раствора мелассы или питательной среды). Культуру выращивают при 34...35 °С при постоянном перемешивании, дробной аэрации и избыточном давлении в аппарате 10—20 кПа.

Процесс подращивания мицелия заканчивается через 30—36 ч. Общая титруемая кислотность культуральной жидкости составляет 1—2%. Подращенный мицелий передают для засева среды в производственном ферментере.

Процесс кислотообразования продолжается 5—-7сут при тем­пературе 31...32 °С, непрерывном перемешивании и дробной аэра­ции от 1,0 до 1,5 м³/(м³-ч).

Начиная со 2-х суток после посева по мере снижения концентра­ции сахара в среде 2—3 раза проводят дробное введение подлив­ного 25—28%-го раствора, обычно из расчета доведения конечной концентрации сахара в сбраживаемом растворе до 12—15 %. По­сле окончания процесса сброженный раствор нагревают острым паром до 60...65 °С и сливают в сборник, откуда его подают на ва­куум-фильтр для отделения мицелия и промывки его горячей во­дой. Отделенный и промытый мицелий направляется на корм скоту. Основной раствор лимонной кислоты вместе с промывны­ми водами передается в химический цех для выделения лимонной кислоты.

При глубинном способе сбраживания основные растворы со­держат от 5 до 12 % органических кислот, 0,2—1,5 % сахара, а ли­монная кислота составляет 80—98% суммы всех кислот. Схема выделения лимонной кислоты из сброженных растворов представ­лена на рисунке 18.3.

Сброженные растворы представляют собой смесь лимонной, глюконовой и щавелевой кислот, несброженного сахара и мине­ральных примесей. Лимонную кислоту из раствора выделяют пу­тем связывания ее катионами кальция с образованием слаборас­творимой соли цитрата кальция.

Сброженный раствор нагревают в нейтрализаторе до кипения, после чего в него при непрерывном перемешивании вводят известковое молоко. Нейтрализация считается законченной при рН 6,8—7,5. При нейтрализации сброженного раствора образуют­ся кальциевые соли лимонной, глюконовой и щавелевой кислот:

Кальциевые соли лимонной и щавелевой кислот выпадают при этом в осадок, а кальциевая соль глюконовой кислоты и основная часть органических и минеральных веществ мелассы остаются в растворе. После отделения маточного раствора осадок на вакуум-фильтре промывают горячей водой (температура около 95 °С).

Перевод лимонной кислоты в свободное состояние и отделение ее от оксалата кальция достигается обработкой осадка H₂SO₄ с последующим фильтрованием. Разложение цитрата кальция осу­ществляют в реакторе, снабженном мешалкой и паровым барботером. В реактор подают воду из расчета 0,25—0,5 м³ на 1 т ли­монной кислоты и при работающей мешалке загружают туда же цитрат кальция с таким расчетом, чтобы после его разложения концентрация лимонной кислоты в растворе была не ниже 25 %. В качестве осветлителя в реактор вводят активированный уголь (2 % массы лимонной кислоты), содержимое реактора нагревают до 60 °С и при перемешивании подают из мерника серную кислоту (плотность 1,8—1,84) из расчета 0,425 дм³ на 1 кг лимонной кис­лоты в цитрате. Смесь кипятят в течение 10—20 мин.

Разложение цитрата кальция серной кислотой протекает по уравнению

Са₃(С₆Н₆О₇)₂ + 3H₂SO₄ = 2С₆Н₈О₇ + 3CaSO₄

После полного разложения цитрата кальция в реактор вводят гранулированный сернистый барий (из расчета 0,1—0,15 кг на 100 кг лимонной кислоты) для осаждения тяжелых металлов. Для отделения раствора лимонной кислоты от осадка, содержащего гипс, оксалат кальция, уголь, сернистые соединения, тяжелые ме­таллы и берлинскую лазурь, горячую реакционную смесь направ­ляют из реактора на вакуум-фильтр. Отфильтрованный раствор передают на дополнительное выпаривание, а осадок на фильтре промывают горячей водой (90 °С). Промывку осадка прекращают при содержании лимонной кислоты в промывной воде 0,1 %. Средняя концентрация раствора лимонной кислоты (вместе с промывными водами) должна быть не ниже 16 %.

Выпаривание осуществляют в вакуум-аппаратах и проводят в две стадии с промежуточным освобождением раствора от осадка гипса. В первом аппарате раствор выпаривают до плотности 1,24— 1,26 кг/дм³, осадок отделяют на фильтре-прессе. Во втором аппарате прозрачный раствор выпаривают до плотности 1,35—1,36 кг/дм³, что соответствует 80%-й концентрации лимонной кислоты, и пе­редают на кристаллизацию (температура раствора 70 °С), затем рас­твор охлаждают до 35... 37 °С и вносят в него затравку — кристаллы лимонной кислоты. Кристаллизацию проводят при непрерывном перемешивании и медленном охлаждении до температуры 8...10 °С, при этой температуре раствор выдерживают не менее 30—45 мин. Кристаллы отделяют в центрифуге, промывают их небольшим ко­личеством холодной воды и передают на сушку.

Сушку проводят в ленточных или барабанных пневматических сушилках при температуре воздуха не более 35 °С. В товарном продукте должно содержаться не менее 99,5 % лимонной кислоты (в пересчете на моногидрат), зольность не более 0,1 % для высше­го сорта и 0,35 % для I сорта.

Лимонную кислоту широко используют в кулинарии и пище­вой промышленности для приготовления хлебного кваса, безалко­гольных напитков, мармелада, вафель, пастилы и др. Лимонная кислота включена в рецептуру некоторых сортов колбас и сыра, ее применяют в виноделии, для рафинирования растительных масел, для производства сгущенного молока. С ее помощью сохраняют естественный вкус и аромат мяса и рыбы при длительном хранении.

Пищевые добавки на базе солей лимонной кислоты, придаю­щие целевые функциональные свойства пищевому сырью и про­дуктам питания, считаются наиболее безопасными.

Целесообразно применение цитрата кальция, малая раствори­мость которого сбалансирована со скоростью всасывания кальция в кишечном тракте.

О широком применении таких добавок в мировой практике (в основном за рубежом) свидетельствуют данные, приведенные в таблице 18.2.

Применение цитратов при производстве различных напитков позволяет обогащать их важными минеральными добавками, а также модифицировать органолептические показатели (цвет, вкус). Цитраты кальция и магния используют в диетических со­ставах, заменяющих столовую соль.

Замена поваренной соли цитратом калия позволяет выпекать лечебный ахлоридный хлеб для больных сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Интерес к применению цитратов при производстве продуктов питания в последние годы увеличивается, однако по мере разви­тия и углубления исследований возможного влияния добавок (микроэлементов, витаминов) меняются (в основном ужесточают­ся) допустимые нормы содержания отдельных добавок в пищевых продуктах, устанавливаются нормативы для отдельных групп на­селения, уточняются нормативы для диетического питания, напри мер верхний уровень допустимой дозы кальция для взрослых — 2500 мг/сут, магния — 350 мг/сут.

В ближайшем будущем лимонная кислота и ее соли найдут бо­лее широкое применение в нашей стране в составе продуктов но­вого поколения, что будет способствовать оздоровлению всего населения.

УКСУСНАЯ КИСЛОТА

Уксусная кислота (СН₃СООН) — наиболее известная пищевая кислота, представляющая собой бесцветную жидкость с резким запахом. В результате перегонки перебродившего спирто­вого раствора получают 70—80%-й раствор уксусной кислоты, известный под названием уксусной эссенции. Из товарных форм уксусной кислоты известны чистая пищевая (70—80%), безвод­ная или ледяная (98—99 %), выпадающая при охлаждении в оса­док в виде кристаллов.

Уксусная кислота находит широкое применение в пищевой промышленности. Ежегодно в мире производят более 100 тыс. т уксусной кислоты, причем более половины — микробиологичес­ким синтезом.

Уксуснокислое брожение основано на способности уксусно­кислых бактерий рода Acetobacter окислять этанол в уксусную кис­лоту. В реакции образования уксусной кислоты участвует фермент алкогольоксидаза. Окисление этанола в уксусную кислоту может быть описано уравнением

СН₃СН₂ОН + О₂ = СН₃СООН + Н₂О + 490 кДж

В промышленных условиях уксуснокислое брожение проводят непрерывным способом при глубинном проточном культивирова­нии уксуснокислых бактерий в батарее последовательно соеди­ненных аппаратов. Схема производства включает следующие ос­новные технологические стадии:

• получение посевного материала;

• подготовка сырья;

• уксуснокислое брожение;

• розлив готового продукта.

Способностью превращать этанол в уксусную кислоту облада­ют различные виды уксуснокислых бактерий. В уксуснокислом брожении используют в основном два вида бактерий: Bacterium schutzenbachii и Bacterium curvum.

Для уксуснокислого брожения благоприятны температуры 28 °С для культуры В. schutzenbachii и 35 ºС для культуры В. curvum, a также кислая реакция среды.

Для получения посевной культуры уксуснокислые бактерии выращивают в колбах на жидкой питательной среде, а затем в ла­бораторном аппарате объемом 30 дм³.

Наилучшее сырье для уксуснокислого брожения — этанол, по­лученный из зернового и картофельного сырья. Для переработки используют как ректификат, так и спирт-сырец.

На жизнедеятельность уксуснокислых бактерий большое влия­ние оказывает реакция среды. Принято считать, что оптимальные значения рН для их развития находятся в пределах 3—3,2, однако избыток уксусной кислоты в сбраживаемой среде угнетает жизне­деятельность бактерий-продуцентов. Для сохранения естествен­ной чистоты бактериальной популяции оптимальной считается концентрация кислоты около 10 %. Важным показателем является и предельная концентрация этанола в сбраживаемой среде. Для В. schutzenbachii она составляет 6—7 об. %, для В. curvum — 9—14.

В промышленности уксуснокислое брожение проводят в бата­рее, состоящей из пяти последовательно соединенных ферменте­ров. Первый аппарат батареи является генератором уксуснокис­лых бактерий и непрерывно снабжает все последующие аппараты активной культурой. В нем создаются условия, способствующие быстрому размножению уксуснокислых бактерий. Кроме того, в аппарате происходит интенсивное окисление этанола в уксусную кислоту. Для осуществления этих процессов в первый аппарат не­прерывно подается среда, суммарная концентрация этанола и ук­сусной кислоты в которой составляет 6,4—6,7 %.

В процессе уксуснокислого брожения температура от фер­ментера к ферментеру снижается. Если в первом она равна 28 °С, то в последнем — 25 °С. Уменьшается также и аэрация с 0,35— 0,40 м³/(м³•мин) в первом ферментере до 0,1—0,15 м³/(м³•мин) в последнем. В каждом ферментере создаются условия, способству­ющие интенсивному окислению этанола в уксусную кислоту. Для поддержания заданной концентрации спирта во второй, третий и четвертый аппараты подают среду с 40%-м этанолом. Процесс ведут таким образом, чтобы из пятого аппарата выводилась культуральная жидкость с концентрацией уксусной кислоты не ниже 9—9,3 %. Из 100 дм³ безводного спирта получают 75—90 кг уксус­ной кислоты.

Перед розливом 9%-ю уксусную кислоту (столовый уксус) осветляют бентонитом с добавлением небольшого количества лимонной кислоты. Отфильтрованный на фильтре-прессе раствор поступает на розлив.

В производстве уксуса спиртовое брожение лучше всего осуще­ствляют отселекционированные штаммы винных дрожжей (на­пример, Saccharomyces ellipsoideus), которые помимо этанола син­тезируют побочные продукты метаболизма, улучшающие вкус и аромат. Уксус, полученный микробиологическим путем (пищевая уксусная кислота, столовый уксус), как и вино, различается по сортам в зависимости от характера сбраживаемого субстрата. Из­вестны яблочный, виноградный, грушевый и другие сорта уксуса. Уксус, полученный при брожении, имеет приятные аромат и вкус, которые обусловливают побочные продукты брожения: сложные эфиры, высшие спирты, органические кислоты.

Уксусная кислота стала первым микробиологическим продук­том, полученным с помощью иммобилизованных клеток. В тече­ние длительного времени применяется адсорбирование уксусно­кислых бактерий на древесной стружке, древесном угле, коксе и других субстратах. Пропуская раствор этанола через генераторы с иммобилизованными бактериями, получают 10—15%-й раствор уксусной кислоты.

Действие уксусной кислоты, основанное обычно на сниже­нии рН консервируемого продукта, проявляется при концентра­ции выше 0,5 % и направлено главным образом против бактерий. Ее используют при изготовлении майонезов, соусов, при марино­вании рыбной продукции, овощей, ягод и фруктов. Уксусную кис­лоту также широко применяют как вкусовую добавку.

Применение ацетата калия, натрия, кальция и аммония раз­решено в производстве овощных консервов и маринованных про­дуктов.

МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА

В настоящее время около половины мирового производства молочной кислоты (СН₃СНОНСООН) осуществляется мик­робиологическим методом, основанным на сбраживании таких ценных углеводсодержащих субстратов, как сахар, рафинадная па­тока, меласса, сахарный сироп и др., что существенно увеличивает себестоимость конечного продукта. Относительно высокая сто­имость молочной кислоты — основной фактор, ограничивающий ее широкое применение в качестве подкислителя, консерванта, регулятора рН, улучшителя вкуса, запаха и структуры пищевых продуктов.

Для получения молочной кислоты микробиологическим мето­дом используют анаэробное превращение углеводов молочнокис­лыми бактериями. Гидроксильная группа этой кислоты может находиться в двух (α и β) положениях углеродной цепи. Промыш­ленное значение имеет α-оксипропионовая кислота, продуцируе­мая в процессе молочнокислого брожения.

В промышленных условиях обычно применяют штаммы: Lacto-bacillus delbrueckii, L. leichmannii, L. bulgaricus, Streptococcus lactis.

Различают гомо- и гетероферментативное молочнокислое броже­ние. В первом случае образуется почти исключительно молочная кислота; во втором — и другие продукты брожения.

Образование молочной кислоты из глюкозы при сбраживании гомоферментативными молочнокислыми бактериями (Lactobacillus) происходит согласно уравнениям:

С₆Н₁₂О₆ → СН₂ОНСНОНСНО → 2СН₃СОСНО + 2Н₂О

                             Глицеральдегид                  Метилглиоксаль

СН₃СОСНО + Н₂О ^{Глиоксалаза} СН₃СНОНСООН

Метилглиоксаль                                      Молочная кислота

Расщепление глюкозы происходит по ФДФ-пути, бактерии имеют для этого все необходимые ферменты, включая альдолазу.

Другой вариант схемы молочнокислого брожения включает распад глюкозы до пировиноградной кислоты и восстановление пировиноградной кислоты до молочной:

СН₃СОСООН + 2Н⁺    → СН₃СНОНСООН

Пировиноградная кислота    Молочная кислота

Кристаллы молочной кислоты при атмосферном давлении бы­стро плавятся с образованием бесцветной сиропообразной жидко­сти без запаха с резко кислым вкусом.

В промышленных условиях молочную кислоту получают глу­бинным способом с помощью культуры L. delbrueckii (рис. 18.4). В качестве основного сырья используют мелассу, сахарозу, гидролизаты крахмала, кукурузный сироп. Концентрация сахара в среде составляет 5—20 %, рН 6,3—6,5. Во время ферментации рН среды поддерживают при помощи СаСО₃, который добавляют 3—4 раза в сутки. Молочнокислое брожение проводят при строго постоян­ной температуре 50 °С. Снижение температуры до 46...48 °С вызы­вает резкое ослабление биохимической активности культуры и способствует развитию посторонней микрофлоры. Повышение температуры, например до 53...55°С, также вызывает инактива­цию культуры и замедление брожения.

При нормальном брожении бактерии сбраживают за сутки 1—1,5 % сахара, и весь цикл брожения заканчивается за 7—11 сут. При этом количество несброженного сахара составляет 0,5—0,7 %, а концентрация лактата кальция — 10—15%. Для отделения СаСО₃ и коллоидов сброженный раствор нагревают до 80...90 ºC, a затем обрабатывают гашеной известью до слабощелочной реакции и отстаивают в течение 3—5 ч.

Фильтрацию проводят при температуре раствора лактата каль­ция 70...80 °С. Полученный фильтрат упаривают до концентрации 27—30 %, затем охлаждают до температуры 25...30 °С и выдержи­вают 36—48 ч в кристаллизаторе. Кристаллизация считается за­конченной, если в маточном растворе остается не более 5—6% растворенного лактата кальция.

Промытый холодной водой лактат кальция отделяют на цент­рифуге и расплавляют. С целью предохранения лактата от обугли­вания расщепление лактата кальция серной кислотой с выделени­ем свободной молочной кислоты проводят при 60...70 °С.

Для отделения ионов железа полученную сырую молочную кислоту при температуре 65 °С обрабатывают K₄[Fe(CN)₆] (желтой кровяной солью). В осадок выпадает берлинская лазурь. Тяжелые металлы и мышьяк осаждают Na₂SO₄ и Ba₂S. Для освобождения молочной кислоты от красящих веществ используют активиро­ванный уголь. После обработки полученную смесь фильтруют, а осадок гипса промывают для извлечения оставшейся молочной кислоты.

После расщепления кристаллического лактата кальция и по­следующей обработки получают 18—20%-ю молочную кислоту, которую упаривают до 50%-й и осветляют активированным углем, затем обрабатывают желтой кровяной солью. Отфильтрованную 50%-ю молочную кислоту сливают в сборник готовой продукции, а из него подают на фасовку.

Для получения 80%-й кислоты 50%-ю молочную кислоту вто­рично упаривают при большом разрежении в вакуум-аппаратах. 80%-ю молочную кислоту фильтруют на фильтре-прессе и подают на розлив или на приготовление 80%-й пастообразной кислоты, которую получают внесением в нее небольших количеств мела (4 % массы кислоты).

Один из возможных путей создания высокоэффективных и ре­сурсосберегающих технологий производства молочной кислоты — расширение сырьевой базы для культивирования молочнокислых бактерий для замены дорогостоящих и дефицитных источников углеводов более дешевым и доступным сырьем, например разно­образными отходами перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

В качестве основных углеводсодержащих субстратов для мо­лочнокислого брожения возможно использование молочной сы­воротки, а также яблочных выжимок и нестандартного, дефектно­го яблочного сырья.

Для ферментации молочной сыворотки оптимально использо­вание культуры Lactobacillus acidophillus BKM 1660 (Т), для фер­ментации плодового сырья и отходов переработки сельскохозяй­ственного сырья — культуры Lactobacillus plantarum BKM 578, как обеспечивающих высокий выход молочной кислоты и высокую бродильную активность.

В качестве питательной среды для культивирования кислото­образующих бактерий могут быть использованы заводская не­фильтрованная сыворотка и осветленная сыворотка (полученная при сепарировании и ультрафильтрации). Активнее процесс накопления молочной кислоты происходит на осветленной молочной сыворотке. В этом случае выход молочной кислоты в 1,5—1,7 раз выше, чем на неосветленных образцах сыворотки, и в 1,1—1,2 раза больше, чем на ультрафильтрате.

Ферментацию молочной сыворотки с применением культуры L. acidophillus BKM 1660 (Т) осуществляют анаэробно, при тем­пературе 30 °С, рН 6—6,5. Посевной материал, выращенный в течение 48 ч и содержащий не менее 10⁹ клеток/см³, вносят в фер­ментационную среду в дозировке 20 % общего объема. Начальная концентрация лактозы составляет 5—10 %.

При сбраживании молочной сыворотки без проведения подтитровки молочнокислые бактерии могут накапливать до 2,2 % молочной кислоты. Содержание в растворе более 2,5 % молочной кислоты подавляет развитие бактерий, поэтому образующуюся в процессе ферментации молочную кислоту периодически нейтра­лизуют СаСО₃. Это позволяет добиться увеличения выхода молоч­ной кислоты.

По отношению к различным титрантам (20%-й КОН, NaOH, NH₄OH, CaCO₃, MgCO₃, CaO) молочнокислые бактерии ведут себя практически одинаково. Установлено, что подтитровку нуж­но проводить до содержания свободной кислоты в среде 0,2— 0,5 %, рН 5—5,5. При этом процесс накопления молочной кисло­ты продолжается до 6 сут.

Получаемая молочная кислота обогащена аминокислотами и микроэлементами, нетоксична, а осадок, получаемый при произ­водстве молочной кислоты, можно использовать в качестве пол­ноценной кормовой добавки.

На основе подробного химического анализа, а также микробио­логической оценки установлено, что яблочное сырье (яблочные выжимки, смесь кожуры и семян, а также дефектное и нестан­дартное сырье) может служить полноценной питательной средой для молочнокислых бактерий.

Содержащиеся в яблочном сырье макро- и микроэлементы, ви­тамины оказывают положительное влияние на биосинтез молоч­ной кислоты.

Подготовка яблочного сырья к сбраживанию включает стадию измельчения и резки. Размеры частиц яблочной мезги должны составлять от 2 до 5 мм. Оптимальным является режим разва­ривания яблочного сырья при гидромодуле 2,5 в течение 30 мин при 120 °С.

Эффективное расщепление полисахаридов яблочного сырья возможно с помощью ферментных препаратов пекто- и целлюлолитического действия. После проведения ферментативной обра­ботки и последующего брожения среда лучше подвергается фильтрации и дальнейшим конечным производственным операциям, что является положительным фактором при промышлен­ном производстве.

Возможно использование ферментных препаратов в концент­рациях: Пектофоетидина П10Х — 0,03%, Целлюлазы — 0,06% массы сырья. Режим обработки ферментами — 1 ч при температу­ре 32... 35 °С.

При ферментации полисахаридов яблочного сырья можно тех­нологически совместить стадии ферментативной обработки сырья и культивирования бактериальной культуры.

Культура Lactobacillus plantarum BKM 578 обеспечивает на яб­лочном сырье достаточно продолжительный и стабильный син­тез молочной кислоты при начальной концентрации углеводов 4,5—5%. Наилучшие показатели достигаются в случае дробной подачи сгущенного яблочного сока до содержания в среде СВ 15 %.

Раствор молочной кислоты, полученный на яблочном сырье, представляет собой коричневую или темно-коричневую жидкость.

Очистка получаемой молочной кислоты от примесей осуществ­ляется активированным углем марки БАУ А, наилучший режим осветления: температура 50 °С, дозировка активированного угля 4 %, время экспозиции 30 мин.

Принципиальная технологическая схема представлена на ри­сунке 18.5.

Возможно получение молочной кислоты из пшеничной муки II сорта (сырья с невысокой стоимостью) с использованием в ка­честве продуцента бактерий вида Streptococcus bovis.

Str. bovis обладает способностью гидролизовать сырой зерновой крахмал, поэтому для организации производства молочной кисло­ты не требуется сложного оборудования.

Осуществляют ферментацию сред с мукой II сорта, содержа­щих 5—20 % Сахаров, концентрация посевного материала состав­ляла 5—20%.

Молочную кислоту выпускают в виде 40%-го раствора и концен­трата, содержащего не менее 70 % кислоты. В пищевых продуктах разрешено использование ее солей: лактатов натрия, калия, кальция, аммония и магния, которые вводят в пищевую систему отдельно или в комбинации. Молочная кислота используется в производстве пива, кваса, безалкогольных напитков, карамельных масс, кисло­молочных продуктов, ограниченно — в продуктах детского питания.

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1278; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!