МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008

Розділ 12. ВИКОРИСТАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ ЛЮДИНОЮ

Харчова промисловість

У харчовій промисловості мікроорганізми використовують у:

- пивоварінні;

- пекарстві;

- виноробстві;

- отриманні етилового спирту;

- виготовленні кисломолочних продуктів і сичужних сирів;

- ферментації м'ясних і рибних продуктів.

Здавна людство споживає продукти, отримані шляхом мікробного бродіння, - спиртового, молочнокислого, пропіоновокислого тощо.

Напої, які нагадують сучасне пиво, почали виробляти майже 7000 років до н. е. у Вавилоні, а згодом у Єгипті, Персії, Греції. У пірамідах Єгипту знайдено малюнки, які відтворюють процеси приготування вина. Для отримання тіста використовували залишки пивного сусла.

Використання процесу спиртового бродіння. Процес спиртового бродіння є основою виробництва спирту, пива та вина. Для виготовлення цих продуктів використовують дріжджі роду Saccharomyces. Крім дріжджів, спирт утворюють ряд бактерій (Zimomonas mobilis, Z. anaerobica, Sarcina ventricula, Ervinia amilovora) та гриби (Aspergillus oryzae).

Утворення етанолу відбуваєтьсязгідно з реакцією

Джерелом вуглецю для дріжджів можуть бути цукри, альдегіди, гліцерин, спирт і вуглеводні. Оптимальна концентрація цукрів для клітин дріжджів становить 10-18 %. Полісахариди дріжджі використовують лише після попереднього гідролізу. Найкращим джерелом азоту для них є амоній та нітрати. Дріжджам необхідні також сполуки фосфору, солі калію та натрію. Оптимальна температура для культивування 25-30 ⁰С. Зі зниженням температури розмноження уповільнюється, проте фізіологічний стан не змінюється. За аеробних умов відбувається інтенсивний приріст біомаси, за анаеробних - процес бродіння і біомаса практично не збільшується.

Штами дріжджів, які добре зарекомендували себе і використовуються як найкращі в певних умовах виробництва, прийнято називати расами.

Раси дріжджів поділяють на верхові та низові. Верхові дріжджі у процесі бродіння спливають і містяться у верхній частині культуральної рідини. Вони більш інтенсивно і повно зброджують субстрат. Оптимальна температура для їх розвитку 20 ⁰С.

Низові раси дріжджів зброджують цукри менш інтенсивно і під час бродіння містяться у придонному шарі рідини. Оптимальна температура росту становить 12-15 ⁰С.

Отримання етилового спирту. Різний характер сировини, що використовується у спиртовій промисловості, визначає особливості її переробки, а також вимоги до дріжджів, які застосовуються. Найширше використовуються:

- сировина, яка містить крохмаль, - зерно (жито, пшениця, кукурудза, ячмінь, овес, просо), картопля;

- сировина, що містить цукри, - меляса (відходи цукрового виробництва);

- деревина - гідролізати рослинної сировини, сульфітні луги.

У зерні міститься до 52 % крохмалю та 3 % простих цукрів. Для екстракції крохмалю з клітин і переведення його в розчинний стан проводять процеси подрібнення та водно- теплову обробку сировини. Оскільки дріжджі не утилізують полісахариди, необхідне попереднє проведення процесу ферментативного гідролізу крохмалю. Для цього у виробництві спирту використовують амілазу, отриману з міцеліальних грибів. На рис. 12.1 наведено технологічну схему процесу.

Рис. 12.1. Технологічна схема отримання етанолу на зерновій сировині

У кінці процесу бродіння концентрація спирту у бражці сягає 6-8,5 %. Далі проводять процес відгону (дистиляції) спирту та його ректифікацію. Дистиляцію здійснюють з метою відділення етанолу від рідини та твердих частинок та його концентрування до 30-96 %. При ректифікації зі спирту видаляють леткі сполуки, наприклад сивушні масла.

Як субстрат активно використовують також мелясу - побічний продукт цукрового виробництва. Вона містить близько 80 % сухої речовини і 20 % води. Сухі речовини - цукри, безазотисті та азотовмісні органічні речовини і мінеральні речовини. Підготовка меляси до зброджування полягає в збагаченні її поживними речовинами та розведенні водою.

Деревина хвойних і листяних дерев містить від 40 до 75 % полісахаридів (геміцелюлози і пектинові речовини). Для отримання доступних для дріжджів гексоз (глюкози, манози, галактози); пентоз (ксилози, арабінози, рамнози), здійснюють процес кислотного гідролізу деревини. Гідролізати нейтралізують, збагачують азотом і фосфором, додають дріжджі і проводять ферментацію. Після завершення бродіння бражка містить 1-1,5 % етанолу і побічні продукти бродіння (0,05-0,1 % метанолу, складні ефіри, альдегіди). Цих речовин не можна позбутися при перегонці і ректифікації.

Дешевою сировиною є відходи целюлозного виробництва - сульфітні луги. Вони містять 3,0-3,5 % продуктів гідролізу геміцелюлози: манозу, ксилозу, галактозу, глюкозу, арабінозу та інші речовини. Кислий гарячий сульфітний луг інтенсивно продувають повітрям, нейтралізують розчином вапна або аміаку до рН 4,8-5,0. У підготовлену таким чином сировину додають фосфор і вітаміни. У процесі зброджування цього субстрату накопичується 0,5-1,0 % етанолу та багато інших речовин: альдегідів, ефірів, вищих спиртів, метанолу (від 2 до 8 %), фурфуролу, сірчистого ангідриду, сірководеню. Сульфітний спирт у три рази дешевший за харчовий.

Для отримання спирту з крохмалевмісних субстратів, меляси, гідролізату деревини, сульфітних лугів використовують раси Saccharomyces cerevisiae.

Дріжджі Kluyveromyces fragilis використовують при отриманні етанолу з молочної сироватки, яка містить близько 4,5 % лактози, 0,70,8 % білкових речовин і 0,5-0,6 % мінеральних компонентів.

Інулін - поліфруктозид також може бути сировиною для отримання спирту. Він міститься у плодах земляної груші (топінамбурі). Готують водні екстракти бульб або листів цієї рослини. Використовують різні раси дріжджів Kluyveromyces fragilis, Saccharomyces cerevisiae.

Пивоваріння. Пиво - слабоалкогольний напій, який отримують із зернових культур за допомогою пивних дріжджів.

Як сировина у виробництві пива використовується переважно зерно ячменю.

Технологію виробництва пива наведено на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Основні етапи пивоваріння

Перший етап - отримання солоду. Солод - пророщене і висушене зерно, яке має характерний запах і смак. Під час пророщення активізуються амілолітичні та протеолітичні ферменти, які містяться в ендоспермі зерна. Амілаза гідролізує крохмаль, протеїназа розщеплює білки. У результаті утворюються прості цукри та розчинні азотисті сполуки, необхідні для розвитку дріжджів.

Наступним етапом є отримання охмеленого сусла. Сусло - рідке середовище, яке містить усі необхідні речовини для розвитку дріжджів. У пивоварінні сусло являє собою водний екстракт солоду. Процес виготовлення сусла включає ряд етапів:

- подрібнення осолодженого зерна;

- переведення крохмалю, білків і мікроелементів зерна в розчин. Подрібнений солод змішують з водою і витримують при температурі 70 ⁰С;

- відокремлення дробини (нерозчинної частини) від сусла;

- охмелення сусла - кип'ятіння сусла з хмелем або хмелевими препаратами;

- охолодження і освітлення сусла (відстоюють 9-12 год).

Сусло містить: 60-70 % мальтози, 2-10 % сахарози, 13-20 % мальтотріози, 15-20 % декстринів, 3-6 % білкових речовин, 1,5-2 % зольних елементів.

Хміль містить дубильні речовини, поліфеноли, ефірну олію, 20 гірких сполук, які більше ніде не зустрічаються, бактерицидну речовину - лопулін.

Під час охмелення сусла проходять такі процеси:

- гіркі та ароматичні речовини хмелю переходять у сусло;

- ферменти інактивуються;

> білки коагулюють, утворюючи комплексні сполуки з дубильними речовинами хмелю.

До сусла додають дріжджі роду Saccharomyces, наприклад

S. cerevisiae, S. uvarum, S. carlsbergensis. У пивоварінні використовують як верхові, так і низові раси дріжджів.

Верхові дріжджі використовують для виготовлення міцних темних і світлих сортів пива з високою щільністю сусла. Головне бродіння проводять при температурі 15-20 ⁰С.

Низові раси використовують для отримання світлих легких сортів пива з низьким вмістом алкоголю. Ферментацію здійснюють при температурі 5-15 ⁰С.

Процес бродіння проводять періодичним або безперервним способом. Під час бродіння цукри перетворюються дріжджами у спирт і вуглекислий газ, накопичуються продукти, які визначають смакові якості пива. Концентрація спирту на кінець бродіння становить від 4 до 8 об.% залежно від сорту пива.

Після закінчення бродіння дріжджі осідають на дно. Їх відокремлюють від молодого пива, промивають і можуть використовувати знову.

Процес доброджування пива проводять при температурі 0-2 ⁰С у великих ємностях - "танках". Під час доброджування відбуваються процеси:

- пригнічення життєдіяльності та автоліз клітин дріжджів, які залишились;

- вихід із клітин амінокислот, пептидів, вітамінів, фосфатів, ферментів (кількість амінокислот може збільшитись у 150 разів);

- осідання залишкових дріжджів і завислих часточок;

- насичення напою вуглекислим газом (вуглекислий газ зв'язується з амінокислотами та спиртами; хімічно зв'язаний вуглекислий газ виділяється повільно, тому напої тривалий час перебувають у стані насичення СО₂).

Фільтрацію здійснюють крізь товстий шар кізельгуру, а потім через систему мембранних фільтрів. Кізельгур (діатоміт) складається із залишків одноклітинних діатомових водоростей, які вкриті кремнієвою оболонкою.

Дріжджі створюють певний смак та аромат пива. До складу напою входять близько 400 речовин. Наприклад, диацетил має сильний запах, який зумовлює зрілість та якість пива і надає йому "масляного" смаку; 2-3 пентадіон зумовлює "медовий присмак" пива.

Деякі речовини, такі як альдегіди (оцтовий, пропіоновий, ізомасля- ний) та леткі сірковмісні сполуки (сірководень, сірчистий ангідрид,

меркаптани), утворюються в значній кількості під час головного бродіння і зменшуються під час доброджування. Натомість кількість вищих спиртів зростає у процесі доброджування пива. У напої присутні також органічні кислоти (оцтова, піровіноградна, молочна, яблучна, лимонна) та ефіри (етилацетат, ізоамілацетат).

Виноробство. В основі виробництва вина лежить зброджування розчинних цукрів (глюкози і фруктози) виноградного або плодово- ягідного соків дріжджами з утворенням етилового спирту і вуглекислого газу.

Існують декілька класифікацій вин за різними параметрами. Якщо вина отримані з одного сорту винограду, їх називають сортовими, якщо із суміші сортів - купажними.

Залежно від терміну витримки вин їх розрізняють за категоріями:

- ординарні, які виробляють без витримки;

- марочні - витримують не менше 1,5 року;

- колекційні - витримані тривалий час у пляшках, високої якості. Вина класифікують також за вмістом вуглекислого газу, кількістю

спирту та цукру, які вони містять (табл. 12.1).

Вина, в яких весь цукор винограду зброджується повністю (насухо), називають сухими. Для того щоб у вині залишити певну кількість цукру, бродіння зупиняють, додаючи бісульфіт натрію або спирт.

Таблиця 12.1. Класифікація деяких виноградних вин

Сік, отриманий з виноградних ягід, називають виноградним суслом. Білі вина отримують з чистого соку білих і червоних сортів винограду. Шкірка та насіння, відокремлені від м'якоті, називаються мезгою. Виноградне сусло містить:

- цукри, загальний вміст яких становить від 10 до 25 %, головні з них - глюкоза і фруктоза (майже в однакових кількостях). Вміст сахарози незначний і залежить від сорту винограду (0,05-0,4 %). Незначний вміст пентоз, які входять до складу полісахаридів, слизу, глікозидів;

- азотовмісні речовини представлені амінокислотами, поліпептидами і білками, також є і аміачний азот;

- з органічних кислот переважають винна, яблучна, лимонна. Кислотність 3-10 г/л;

- головні мінеральні компоненти: К⁺, Са ²⁺, фосфорна кислота.

Шкірка винограду багата на целюлозу, пектинові речовини, білки,

органічні кислоти. Багато в ній фенольних сполук - пігментів (флавонолів і антоцианідів), які зумовлюють її забарвлення. Містяться також флавоноїдні компоненти (катехіни, лейкоантоциани). У червоних сортах винограду їх у двічі більше, ніж у білих. Похідні терпенів, які містяться у шкірці, зумовлюють аромат різних сортів.

У виноробстві використовують дріжджі, які містяться на ягодах винограду, або спеціально селекціоновані промислові раси. Винні дріжджі мають забезпечити повне зброджування вуглеводів, бути стійкими до інфекції, високої кислотності, а також витримувати певні концентрації спирту (до 18 %о). На поверхні винограду міститься велика кількість різних мікроорганізмів. Умови, які створюються у процесі бродіння, пригнічують розвиток більшості мікроорганізмів за винятком деяких видів дріжджів. Для більш швидкого пригнічення сторонньої мікрофлори у виробничих умовах виноматеріали обробляють діоксидом сірки та вносять промислові раси винних дріжджів.

Раси дріжджів мають різну здатність до утворення вторинних продуктів. Усі вони утворюють леткі кислоти (оцтову, пропіонову, масляну, валеріанову), гліцерин, диацетил, ацетоїн, 2,3-бутиленгліколь, вищі спирти, сульфгідрильні сполуки. При автолізі клітин відбувається збагачення вина ферментами і вітамінами. Смак та склад вина залежать від раси дріжджів, тривалості процесу бродіння та способу настоювання на меззі.

Технологія виробництва вина складається з таких етапів:

- розчавлення виноградних ягід;

- відокремлення соку від шкірки та насіння (для білих вин);

- додавання до виноградного сусла дріжджів Saccharomyces vini, S. Bay- nus, S. oviformis або використання диких, які містяться на ягодах;

- зброджування виноградного соку з мезгою (червоні вина) або без неї (білі вина);

- настоювання на меззі для червоних вин;

- відокремлення вина від дріжджового осаду;

- друге зброджування вина молочнокислими бактеріями (яблучно- молочне бродіння) для зниження кислотності з 5-6,5 до 3-3,8 г/л. Воно може відбуватись спонтанно або після внесення спеціальних бактерій Oenococcus oenii та Lactobacillus hulgardii;

- фільтрування вина;

> витримка та дозрівання вина.

Стадії дозрівання і старіння вина включають час резервуарної (діжкової) і пляшкової витримки. При дозріванні вино стає стабільним, стійким при розливі, набуває аромату і смаку. Тривала витримка може привести до покращення смакових якостей (херес) або, навпаки, до поступового відмирання вина.

Виробництво ігристих вин. Ігристі вина - продукт вторинного бродіння вина в герметично закритих ємностях, під час якого відбувається насичення його вуглекислим газом.

Існують чотири методи виготовлення ігристих вин: традиційний, резервуарний, метод трансфера та інжекції. У перших трьох методах вуглекислий газ утворюється дріжджами під час повторного бродіння, в останньому - ним насичують готове вино.

Традиційний метод. Технологія виготовлення вина, насиченого вуглекислим газом, зародилась у Франції в ХVІІ ст. Проте роль дріжджів у цьому процесі було визначено лише у другій половині ХІХ ст.

У 1662 р. у північній провінції Франції Шампань було вироблено багато вина, яке не знайшло покупців і зберігалось у діжках. Ченець - винороб П'єр Періньйон додав трохи цукру до вина і розлив його у пляшки, щоб звільнити діжки для вина з нового врожаю. Він уперше використав коркові пробки для герметичної закупорки пляшок. Пляшки він поклав у підвал. Відкривши одну з пляшок через декілька років, він був здивований дивовижним смаком вина, насиченого вуглекислим газом. Періньйон уперше провів другу ферментацію у пляшках, проте дріжджовий осад не зміг видалити. Лише в ХІХ ст. було запропоновано простий і ефективний спосіб вилучення осаду дріжджів, яким користуються дотепер. Вино, вироблене у Франції в провінції Шампань, називають шампанським. Традиційно для виробництва шампанського використовують білі вина.

Технологія виготовлення шампанського складається з таких етапів:

- Ассамбляж (Assemblage) Проводять змішування вин різних сортів з різних районів Шампані. Традиційно напій готують з винограду трьох сортів: Шардоне, Піно Нуар, Піно Меньє.

- Тіраж (Tirage) В отриманий виноматеріал додають тіражний лікер, який являє собою суміш цукру, дріжджів та старого вина, до кінцевої концентрації цукру 2,2 %. Розливають у міцні товстостінні пляшки. Пробки закручують проволокою (мюзле). Кладуть у темний підвал при температурі 10 ⁰С .

- Проведення ферментації. Цукор зброджується поступово, від дев'яти місяців до трьох років, при цьому виділяється вуглекислий газ. Остаточний тиск у пляшці сягає 6 атм. Пляшки періодично перевертають і струшують.

- Ремюаж (Remuage) Після закінчення ферментації пляшку кладуть під нахилом, вниз корком, на який поступово осідають дріжджі. Такі пляшки повільно і періодично (щоденно) повертають протягом двох місяців. У результаті осад збирається в горлі пляшки.

- Дегоржаж (Degorgeage) Проводять видалення осаду. Горло пляшки заморожують і видаляють корок разом з осадом. При цьому падає тиск і втрачається частина вина. Тому у пляшки додають вихідне вино, у разі необхідності цукор закривають новим корком і відправляють у підвал на відпочинок.

В Україні існують два заводи, які виробляють ігристі вина за класичною французькою технологією: "Новий світ» (нагороджений 50 золотими медалями) та "Артемівський завод шампанських вин"(має 10 золотих та 15 срібних медалей).

Резервуарний метод може здійснюватись періодично або безперервно. При періодичному способі другу ферментацію проводять у великих закритих сталевих ємностях (танках). Резервуари заповнюють вином, вносять лікер та дріжджі. Після закінчення процесу бродіння резервуар охолоджують, вино фільтрують під тиском і розливають у пляшки. Процес триває місяць.

При безперервному способі процес другого бродіння здійснюють у послідовно з'єднаних герметично закритих резервуарах (7 шт.), які мають охолоджувальні кожухи. Резервуари заповнюють буковими ошурками чи поліетиленом та іммобілізують на них дріжджі. Поступово всі ємності заповнюють вином. Відбувається процес бродіння. На виході ігристе вино охолоджують і фільтрують, у разі необхідності додають лікер.

Метод трансфера полягає в тому, що другу ферментацію проводять у пляшці. Після завершення бродіння пляшки з ігристим вином охолоджують, вміст виливають у великий резервуар, фільтрують під тиском і розливають в інші пляшки.

За методом інжекції в охолоджене вино під тиском уводять вуглекислий газ.

Органолептичні якості ігристих вин визначаються хімічним складом вина, біохімічними властивостями дріжджів, технологічним режимом, витримкою.

Ігристі вина містять: фенольні сполуки (брют - 300 мг/л, солодке - 450 мг/л), ізопентанол (до 33-40 мг/л), ацетальдегід (до 90-100 мг/л), вищі спирти, складні ефіри (етілкапронат, етілкапрілат, етилсукци- нат), терпеноїди.

В умовах виробництва ігристих вин життєдіяльність дріжджів проходить на межі їх фізіологічних можливостей. Наприкінці процесу кількість мертвих клітин сягає 40-50 %. Використовують дріжджі S. vini, S. oviformis.

Пекарство. Виробництво хліба - складний процес мікробіологічних і біохімічних перетворень, що відбуваються в тісті з моменту змішування борошна з водою, мікроорганізмами і закінчується випічкою. У пекарстві використовують дріжджі Saccharomyces cerevisiae.

До складу борошна входять:

- крохмаль, що гідролізується амілолітичними ферментами борошна до вуглеводів, переважно мальтози. Це основний субстрат бродіння;

- 0,7-1,8 % цукрів становлять глюкоза, фруктоза, мальтоза, сахароза, рафіноза, які відіграють суттєву роль на початкових етапах бродіння;

- азотовмісні речовини - переважно різні групи білків (альбуміни, глобуліни, глютеніни, проламіни), у борошні сильних сортів не менше 14 % білка. Є також вільні амінокислоти та аміни;

- жири та жироподібні речовини - до 2 %;

> мінеральні речовини (до 2 %) і вітаміни.

Головна функція дріжджів при випіканні хліба - зброджування цукрів з утворенням спирту та вуглекислого газу, який потрібен для підйому тіста. Дріжджі також змінюють структуру і текстуру тіста внаслідок розщеплення дріжджами дисульфідних зв'язків амінокислот. Під час випікання хлібу спирт і частина води випаровується, цукри карамелізуються, дріжджі гинуть. Мікробіологічні процеси і пов'язані з цим біохімічні перетворення визначають пористість, колір, міцність розрізу, надають хлібу смак, аромат (211 ароматичних сполук), підвищують харчову цінність.

Крім чистих дріжджів, у пекарстві використовують також суміш дріжджів і молочнокислих бактерій. За таких умов у тісті, крім спиртового бродіння, відбувається молочнокисле, рН при цьому знижується до 4,7-4,8. На основі таких заквасок виробляють житній хліб.

Виробництво хлібного квасу. Хлібний квас - продукт незакінченого спиртового і молочнокислого бродіння. Сировиною для виготовлення квасу є житній і ячмінний солод, житнє борошно, вода, цукор. Технологія виробництва складається з таких етапів:

- змішування житнього борошна і житнього солоду з водою;

- отримання сусла, його фільтрація, згущення, витримка при температурі 105-115 ⁰С для карамелізації цукрів і надання напою кольору та аромату;

- внесення цукрового сиропу та закваски молочнокислих бактерій, які здійснюють гетероферментативне бродіння, і дріжджів S. cerevisiae, які здійснюють спиртове бродіння Під час цього процесу накопичується 0,3-0,5 % спирту, молочна кислота, оцтова кислота, вуглекислий газ, леткі ароматичні речовини - етилацетат, диацетил;

- відокремлення від осаду, додавання цукрового сиропу, розлив. У готовому квасі міститься 1,2 об.% спирту.

Молочна промисловість. Чисті культури молочнокислих бактерій та їх асоціації знайшли застосування в молочній промисловості для виготовлення кисломолочних продуктів, сирів, а також у виробництві сиров'ялених м'ясних та рибних виробів.

Молочнокислі бактерії здійснюють процес молочнокислого бродіння. Мешкають у філосфері (на листі, квітках, стеблах, овочах, фруктах), шлунково-кишковому тракті.

До групи молочнокислих бактерій віднесені різні за морфологією мікроорганізми, які мають спільні властивості: утворюють молочну кислоту, позитивно забарвлюються за Грамом, не утворюють спори, нерухомі, вимогливі до джерел азоту, не утворюють каталазу, мають бродильний тип метаболізму, аеротолерантні.

Молочнокислим бактеріям притаманний антагонізм до інших мікроорганізмів. Він зумовлений продукцією молочної кислоти, а також утворенням ряду антибіотичних речовин. Так, Lactococcus lactis синтезує нізин, Lactococcus cremoris - диплококцин, Lactobacillus acidophilus - ацидофілін і лактоцин, Lactobacillus plantarum - лактолін, Lactobacillus brevis - бревін. Досліджено, що нізин бактеріостатично діє на пропіоновокислі бактерії, стафілококи, не пригнічує ріст грам- негативних бактерій, мікроміцетів, грибів.

І. Мечников уперше застосував антагоністичні властивості молочнокислих бактерій у боротьбі з гнилісною мікрофлорою. У довгожителів Абхазії в кишечнику домінують саме молочнокислі бактерії.

Молочнокислі бактерії поділяють на гомоферментативні (утворюють молочну кислоту) та гетероферментативні (крім молочної кислоти, утворюють оцтову кислоту, спирт, СО₂).

Молочнокислі бактерії належать до родів: Streptococcus (Lactococcus), Pediococcus, Lactobacillus, Leuconostoc, Bifidobacterium.

Бактерії роду Streptococcus мають вигляд зібраних у ланцюжки коків. Вони здійснюють гомоферментативне молочнокисле бродіння. Стрептококи поділяють на молочні (Lactococcus): L. cremoris, L lactis, L thermofillus, L. garvieal; фекальні (ентерококи): S. faecalis, S. faecium, S. bovis; оральні: S. mutans, S. salivarius, S. sanquis; піогенні: S. piogenes, S. uberis. У молочній промисловості використовують виключно молочні стрептококи роду Lactococcus.

Бактерії роду Pediococcus утворюють тетради, або грона. Гомоферментативні: Pediococcus damnosus, P. dextranicum, P. halophillus.

Рід Lactobacillus представлений бактеріями паличкоподібної форми. Вони витримують низькі значення рН. Деякі представники (L. bulgaricus, L. lactis, L. acidophilus, L plantarum, L casei) здійснюють гомоферментативне бродіння. Гетероферментативне бродіння притаманне бактеріям L erevis, L buchneri, L. fermentum.

Рід Leuconostoc представлений коковими бактеріями (L. cremoris, L. citreum, L. lactis, L. dextranicum, L. mesenteroides), які здійснюють гетероферментативне бродіння.

Рід Bifidobacterium - плеоморфні палички (Bifidobacterium bifidum B. adolescentis, B. infantis, B. longum, B. thermofilum), які здійснюють молочнокисле бродіння особливого типу.

Виготовлення кисломолочних продуктів. Кисломолочні продукти виготовляють сквашуванням пастеризованого молока або вершків чистими культурами молочнокислих бактерій з додаванням у разі необхідності дріжджів чи оцтовокислих бактерій.

До кисломолочних продуктів, які отримують у результаті молочнокислого бродіння, відносять вершкове масло, сметану, йогурт, ряжанку, наріне та ін. Продукти, в основі яких лежать процеси молочнокислого і спиртового бродіння, - це кефір, який містить до 0,1 % спирту, кумис.

Схему процесу виробництва кисломолочних продуктів наведено на рис. 12.3.

Для отримання високоякісних продуктів на основі молока необхідно пригнітити розвиток мікрофлори, яка присутня в молоці. Для цього застосовують пастеризацію, а в разі необхідності - стерилізацію молока. Пастеризацію здійснюють, витримуючи молоко при температурі від 72 до 85 ⁰С протягом 10-20 хв. Для інактивації фагів в умовах виробництва молоко витримують при 90 ⁰С протягом 30 хв. Після теплової обробки молока його охолоджують і вносять закваски молочнокислих бактерій. Далі отримання кисломолочних продуктів проводять резервуарним або термостатним способом.

Рис. 12.3. Етапи отримання кисломолочних продуктів резервуарним і термостатним способами

При резервуарному способі молоко розливають у великі резервуари, куди додають відповідні закваски мікроорганізмів. У резервуарах підтримується оптимальна температура для розвитку молочнокислих бактерій. Після завершення процесу молочнокислого бродіння готовий продукт охолоджують і розливають у пляшки.

При термостатному способі в підготовлене пастеризоване молоко вносять закваски мікроорганізмів. Молоко разом з молочнокислими бактеріями розливають у пляшки або пакети і ставлять у термостатну кімнату з відповідною температурою. Готову кисломолочну продукцію охолоджують і відправляють на реалізацію.

Залежно від виду мікроорганізму, а також від особливостей сировини отримують різні продукти, які мають характерний смак, аромат, консистенцію. Мікроорганізми, які використовують для одержання деяких кисломолочних продуктів, наведено в табл. 12.2.

Таблиця 12.2. Кисломолочні продукти та мікрофлора їх заквасок

Виробництво сиру передбачає дві основні стадії: отримання сирної маси і дозрівання сиру. Сирну масу отримують, використовуючи мікробіологічний процес - молочнокисле бродіння (кисломолочні сири) або ферментативний процес - обробка молока комплексом протеолітичних (сичужних) ферментів (сичужні сири).

Загальну схему виробництва сичужних сирів наведено на рис 12.4.

Рис. 12.4. Технологічна схема отримання сичужних сирів

Після того як молоко потрапило на завод, проводять його пастеризацію при 74-76 ⁰С протягом 20-25 с. В охолоджене молоко вносять сичужні ферменти (отримують із шлунку телят) та закваски мікроорганізмів (молочнокислих, пропіоновокислих, спор цвілевих грибів). Процес проводять при температурі 32-34 ⁰С протягом 25-30 хв. Під дією ферменту казеїн взаємодіє із солями кальцію з утворенням згустку. Утворений згусток перемішують з метою відокремлення його від сироватки, при цьому утворюється сирне зерно. Процес здійснюють при температурі 38-41 ⁰С. Сирне зерно розкладають у різні форми і пресують. Унаслідок останніх операцій формуються сирні головки. Далі їх солять і відправляють до кімнат з певною вологістю і температурою на визрівання під впливом різних бактерій і грибів.

Останній етап є найбільш важливим. Він може тривати від декількох тижнів до років. Це залежать від того, який сорт сиру необхідно отримати. Мікроорганізми ростуть у сирній масі, гинуть, підлягають автолізу, вивільнюють гідролітичні ферменти. У міру дозрівання сира білок розщеплюється на розчинні пептиди та амінокислоти. Далі амінокислоти можуть розщеплюватись з утворенням аміаку, жирних кислот, амінів. У чедері і швейцарському сирі в розчинні продукти перетворюється лише 25-35 % білка, а в м'яких сирах - майже весь. Під час дозрівання відбувається також гідроліз значної частини жирів, утворення органічних кислот. Деякі мікроорганізми відіграють специфічну роль у дозріванні певних сортів сиру. Наприклад, великі дірки у швейцарському сирі утворюються завдяки виділенню СО₂ - продукту пропіоновокислого бродіння молочної кислоти під дією бактерій роду Propionibacterium (табл. 12.3).

Таблиця 12.3. Мікроорганізми заквасок кисломолочних і сичужних сирів

Субстратом для розвитку кисломолочних бактерій є молоко, яке містить:

- воду;

- вуглеводи: глюкозу і лактозу, вміст останньої в молоці становить 4,7-4,8 %;

- білки: казеїн, лактоальбумін, лактоглобулін. Основний білок молока - казеїн - NH₂R(COOH)₈. Він має амфотерну реакцію, проте для нього характерні кислотні властивості, оскільки він містить 144 кислотні (СООН) залишки і лише 83 аміногрупи (NH₂). Казеїн складається з двох компонентів: кальцієвої солі казеїну (казеїнату кальцію) та фосфату кальцію. Вони утворюють казеїн-кальцій фосфатний комплекс (ККФК). В ізоелектричній точці при рН 4,5-4,7 чистий казеїн висаджується у вигляді осаду. Під дією кислот, ферментів та у присутності солей кальцію казеїн коагулює;

- ліпіди: холестерин, ергостерин, лецетин, кефалін;

- пігменти: каротиноїди, ксантофіли, лактохром;

- небілкові азотисті речовини: креатин, аміак, амінний азот, сечова кислота, холін;

- неорганічні речовини: K, Ca, Na₃PO₄, MgCl, MnSO₄, цитрат заліза, I, Cu, Zn. Вміст мінеральних речовин молока (до 80 елементів) становить близько 1 %. 22-26 % кальцію зв'язано з казеїном, 78 % знаходиться у вигляді неорганічних солей;

- вітаміни: A, B, C, D, E, G;

- ферменти: ліпазу, амілазу, лактазу, пероксидаза, редуктазу, фосфатазу. олеїназу, протеазу, альдегедразу;

- клітинні елементи;

- розчинні гази: O₂, N₂, CO₂.

При дії молочної кислоти на білок молока від ККФК відщеплюється фосфат кальцію та органічний кальцій, при цьому чистий казеїн випадає в осад у вигляді згустку. Молочна кислота також впливає на сольовий склад молока. Як сильна кислота вона витісняє фосфорну і лимонну кислоти, руйнуючи буферні системи молока. Фосфати і цитрати кальцію переходять у більш розчинні лактати кальцію:

Свіже молоко містить бактерії, дріжджі, цвілеві гриби (декілька тисяч в 1 мл). Тривале зберігання молока при температурі вище 10 ⁰С призводить до зміни розвитку певних груп мікроорганізмів, які характеризуються такими фазами:

1. Бактерицидна фаза. Розвиток бактерій не спостерігається, оскільки в молоці містяться речовини, які пригнічують розвиток мікроорганізмів (лактенін). Продовжити цю фазу можна швидким охолодженням молока.

2. Фаза розвитку змішаної мікрофлори. Відбувається розвиток усіх груп мікроорганізмів, що є в молоці. Наприкінці цієї фази починають домінувати молочнокислі бактерії.

3. Фаза розвитку молочнокислих бактерій. Розвиваються молочнокислі бактерії. Вони виділяють молочну кислоту, що приводить до коагуляції казеїну. Поступово зменшується кількість молочнокислих лак- тококів і збільшується кількість паличок - лактобацил.

4. Фаза росту дріжджів та міцеліальних грибів. При високій кислотності на поверхні молока починають розвиватись дріжджі і гриби, які, у свою чергу, зменшують кислотність і створюють оптимальні умови для розвитку мікрофлори, що спричинює розклад (гниття) білків молока.

Діяльність молочнокислих бактерій знайшла своє застосування при біологічному консервуванні деяких продуктів. Для квашення капусти, яблук, буряку, огірків, помідорів та інших овочів рослинна сировина витримується в сольовому розчині. Там відбуваються процеси молочнокислого бродіння, спричинені бактеріями, які містяться на поверхні овочів та фруктів. Наприклад, при квашенні капусти після її подрібнення та соління з утворенням соку проходять такі процеси:

- перший етап характеризується збільшенням кількості ентеробакте- рій, накопиченням мурашиної, оцтової, бурштинової кислот, етанолу, вуглекислого газу. Триває декілька годин;

- другий етап триває 2-3 доби. У цей час у розсолі розвиваються гетероферментативні молочнокислі коки, переважно Leuconostoc mesenteroides. Утворюються молочна, оцтова кислоти, спирт, вуглекислий газ, ефіри, маніт. Останній надає капусті гіркого смаку;

- третій етап настає через 4-6 діб бродіння. У цей період у розсолі домінують паличкоподібні гомоферментативні молочнокислі бактерії, переважно Lactobacillus plantarum, та накопичується 1,5-2 % молочної кислоти. Бактерії використовують маніт.

Селікціоновані штами застосовують як компоненти для сиров'ялених та сирокопчених ковбас. Бактеріальна закваска складається з Lactobacillus plantarum, Lactococcus lactis. Молочнокислі бактерії надають м'ясним виробам специфічних смакових якостей, запобігають розвитку сторонньої мікрофлори.

Дозрівання посоленої риби відбувається за рахунок діяльності гетероферментативних бактерій: Pediococcus pentosaceus, Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum.