Биотехнология сметаны

Основным  процессом в производстве сметаны  является молочнокислое брожение, которое  проходит при участии молочнокислых  бактерий. Сущность этого процесса состоит в том, что молочный сахар (лактоза) под действием ферментов  микроорганизмов сбраживается до молочной кислоты, под действием которой  происходит коагуляция казеина, в результате чего образуется сгусток. Этот процесс  и называется биотехнология производства сметаны.

В результате развития молочнокислых  бактерий выделяется фермент лактоза, который расщепляет дисахаридную молекулу лактозы на две монозы - глюкозу и галактозу:

C₁₂H₂₂O₁₁+H₂O+лактаза→C₆H₁₂O₆+C₆H₁₂O₆

лактоза глюкоза галактоза

При ферментативных превращениях из глюкозы  и галактозы образуется по две  молекулы пировиноградной кислоты:

С₆H₁₂O₆→2C₃H₄O₃+4H

глюкоза пировиноградная кислота

На  следующей стадии молочнокислого брожения пировиноградная кислота восстанавливается  до молочной кислоты при участии  фермента лакто-дегидразы:

C₃H₄O₃ +2H+Ф→C₃H₆O₃

пировиноградная молочная

кислота 

Таким образом, с одной молекулы молочного  сахара образуется четыре молекулы молочной кислоты:

С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О→4С₃Н₆О₃

При молочнокислом брожении молочная кислота, которая образовалась, действует  на основной белок молока – казеин, который находится в молоке в  виде казеин-кальциевой соли. При этом молочная кислота отнимает от соли кальция, в результате чего образуется нерастворимая казеиновая кислота (сгусток) и молочнокислый кальций:

PNH₂ (COO) _3Ca3+6CH₃CHOHCOOH→3 (CH₃CHOHCOO) _2Ca+PNH₂ (COOH) ₂↓

казеина кальция молочная кислота молочнокислый казеиновая кислота

кальций (сгусток)

При отнимании кальция от казеин - кальциевой соли происходит коагуляция казеина и образование геля. Образование сгустка (геля) объясняется тем, что молочная кислота повышает концентрацию водородных ионов (рН), что приводит к изменению (снижению) электрических зарядов частиц казеина и уменьшает противодействие столкновениям между отдельными частицами. При достижении концентрации водородных ионов соответствующей изоэлектрической точки казеина (рН=4,7) количество положительных и отрицательных зарядов на поверхности казеина становится одинаковой, а частички казеина становятся электро - нейтральными. При отсутствии заряда каждое столкновение частиц ведет к агрегации (объединению). Укрупненные частицы при спокойном состоянии образуют сначала нити казеина, а затем сетку-сгусток. При повышении кислотности и температуре образуется более плотный сгусток, что может привести к не желаемому явлению при производстве кисломолочных продуктов – - самовольном отделению сыворотки от сгустка.

 

 

Биотехнология молочных продуктов

Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен. Это продукты, получаемые в результате брожения - хлеб, сыр, вино, пиво, творог и так далее. До недавнего времени  биотехнология использовалась в  пищевой промышленности с целью  усовершенствования освоенных процессов  и более умелого использования  микроорганизмов, но будущее здесь  принадлежит генетическим исследованиям  по созданию более продуктивных штаммов  для конкретных нужд, внедрению новых  методов в технологии брожения.

Получение молочных продуктов в  пищевой промышленности построено  на процессах ферментации. Основой  биотехнологии молочных продуктов  является молоко. Молоко (секрет молочных желез) - уникальная естественная питательная  среда. Она содержит 82-88% воды и 12-18% сухого остатка. В состав сухого молочного  остатка входят белки (3,0-3,2%), жиры (3,3-6,0%), углеводы (молочный сахар лактоза - 4,7%), соли (0,9-1%), минорные компоненты (0,01%): ферменты, иммуноглобулины, лизоцим  и т.д. Молочные жиры очень разнообразны по своему составу. Основные белки молока - альбумин, казеин. Благодаря такому составу молоко представляет собой  прекрасный субстрат для развития микроорганизмов. В сквашивании молока обычно принимают  участие стрептококки и молочнокислые  бактерии. Путем использования реакций, которые сопутствуют главному процессу сбраживания лактозы получают и другие продукты переработки молока: сметану, йогурт, сыр и т.д. Свойства конечного продукта зависят от характера и интенсивности реакций ферментации. Те реакции, которые сопутствуют образованию молочной кислоты, определяют обычно особые свойства продуктов. Например, вторичные реакции ферментации, идущие при созревании сыров, определяют вкус отдельных их сортов. В таких реакциях принимают участие пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, находящиеся в молоке.

Все технологические процессы производства продуктов из молока делятся на две  части: 1) первичная переработка - уничтожение  побочной микрофлоры; 2) вторичная переработка. Первичная переработка молока включает в себя несколько этапов. Сначала  молоко очищается от механических примесей и охлаждается, чтобы замедлить  развитие естественной микрофлоры. Затем  молоко сепарируется (при производстве сливок) или гомогенизируется. После  этого проводят пастеризацию молока, при этом температура поднимается  до 80^оС, и оно закачивается в танки или ферментеры. Вторичная переработка молока может идти двумя путями: с использованием микроорганизмов и с использованием ферментов. С использованием микроорганизмов выпускают кефир, сметану, творог, простокваши, казеин, сыры, биофруктолакт, биолакт, с использованием ферментов - пищевой гидролизат казеина, сухую молочную смесь для коктейлей и т.д. При внесении микроорганизмов в молоко лактоза гидролизуется до глюкозы и галактозы, глюкоза превращается в молочную кислоту, кислотность молока повышается, и при рН 4-6 казеин коагулирует.

Молочнокислое брожение бывает гомоферментативным и гетероферментативным. При гомоферментативном брожении основным продуктом является молочная кислота. При гетероферментативном брожении образуются диацетил (придающий вкус сливочному маслу), спирты, эфиры, летучие жирные кислоты. Одновременно идут протеолитические и липолитические процессы, что делает белки молока более доступными и обогащает дополнительными вкусовыми веществами.

Для процессов ферментации молока используются чистые культуры микроорганизмов, называемые заквасками. Исключение составляют закваски для кефиров, которые представляют естественный симбиоз нескольких видов  молочнокислых грибков и молочнокислых  бактерий. Этот симбиоз в лабораторных условиях воспроизвести не удалось, поэтому поддерживается культура, выделенная из природных источников. При подборе  культур для заквасок придерживаются следующих требований:

- состав заквасок зависит от  конечного продукта (например, для  получения ацидофилина используется  ацидофильная палочка, для производства  простокваши - молочнокислые стрептококки);

- штаммы должны отвечать определенным  вкусовым требованиям; 

- продукты должны иметь соответствующую  консистенцию, от ломкой крупитчатой до вязкой, сметанообразной;

- определенная активность кислотообразования;

- фагорезистентность штаммов (устойчивость к бактериофагам);

- способность к синерезису (свойству сгустка отдавать влагу);

- образование ароматических веществ; 

- сочетаемость штаммов (без антагонизма  между культурами);

- наличие антибиотических свойств,  т.е. бактериостатическое действие  по отношению к патогенным  микроорганизмам; 

- устойчивость к высушиванию. 

Культуры для заквасок выделяются из природных источников, после чего проводится направленный мутагенез  и отбор штаммов, отвечающих перечисленным  выше требованиям. Биотехнологии на основе молока включают, как правило, все основные стадии биотехнологического производства, которые можно рассмотреть на примере сыроварения.

Производство сыра, или сыроделие (сыроварение) - один из древнейших процессов, основанных на ферментации. Сыры бывают самые разнообразные - от мягких до твердых. Мягкие сыры содержат много воды, 50-60%, а твердые - мало, 13-34%. На первом этапе идет подготовка молока (первичная обработка). На втором - готовится культура молочнокислых бактерий. Микроорганизмы подбираются в определенной пропорции, обеспечивающей наилучшее качество. Набор бактерий также зависит от температуры термообработки. Третья стадия - стадия ферментации, - в сыроварении в некоторых случаях происходит в 2 этапа, до и после стадии выделения. Сначала молоко инокулируют определенными штаммами микроорганизмов, приводящими к образованию молочной кислоты, а также добавляют сычужный фермент реннин. Реннин ускоряет превращение жидкого молока в сгусток (створаживание) в несколько раз. Эта реакция активируется молочной кислотой, вырабатываемой бактериями. Функции реннина могут выполнять и другие протеиназы, но реннин также участвует в процессах протеолиза, происходящих в сыре при созревании. После образования сгустка сыворотку отделяют, а полученную творожистую массу подвергают термообработке и прессуют в формах. Далее сгусток солят и ставят на созревание. Иногда полученная масса происходит дополнительную обработку, которая заключается в следующем: заражение спорами голубых плесневых грибов при производстве рокфора; нанесение на поверхность спор белых плесневых грибов при производстве камамбера и бри; нанесение бактерий, необходимых для созревания некоторых сыров. Некоторые сыры после выделения должны подвергнуться дальнейшей ферментации (стадия созревания). Микроорганизмы и ферменты в ходе этого процесса гидролизуют жиры, белки и некоторые другие вещества молодого сыра. В результате их распада образуются вещества, придающие сырам характерный вкус.

Процессы ферментации при производстве многих молочных продуктов, таких как  сметана, творог, многие сыры идут в  ферментерах открытого типа. Как  правило, они занимают немного времени. К одним из самых простых относят  производство кефира, простокваш, сметаны  и масла. Например, при производстве сметаны к сливкам добавляют 0,5-1% закваски, используемой при производстве масла. Далее продукт выдерживают, пока концентрация кислоты не достигнет 0,6%. В заключение хотелось бы добавить, что процессы получения молочнокислых  продуктов весьма просты и доступны для воспроизводства в домашних условиях. Они не требуют строгих  условий соблюдения стерильности, протекают, как правило, при комнатной или  чуть повышенной температуре. Собственно, изначально они были одними из первых "домашних" биотехнологий, которые  были позднее поставлены на промышленную основу.

 

 

 

 

 

Ниже приводится характеристика закваски для сметаны. Для изготовления сметаны используется следующая сырье: молоко коровье – сырье не ниже второго сорта; молоко цельное сухое высшего сорта; концентрат бактериальный сухой мезофильных молочнокислых стрептококков КМС-су (Lactococcus lactis subsp cremoris (biovar diacetilactis), Lactococcus lactis subsp lactis, Streptococcus thermophilus); концентрат бактериальный сухой КТС-су (Lactococcus lactis subsp. сremoris (biovar diacetilactis), Lactococcus lactis subsp lactis, Streptococcus thermophilus); закваски МСС, КДС, МТС (Lactococcus lactis subsp. сremoris (biovar diacetilactis), Lactococcus lactis subsp lactis, Lactococcus lactis subsp. сremoris, Streptococcus thermophilus); концентрат бактериальный замороженных термофильных молочнокислых стрептококков КТС-зам. (Streptococcus thermophilus). Сырье, используемое для производства сметаны должно соответствовать требованиям СанПиН 2.3.2.1078, СанПиН 2.1.4.1074. Допускается использование импортного сырья, что по показателям качества и безопасности не уступает вышеперечисленным требованиям, не меняет природу продукта и должно быть разрешено учреждениями и органами Государственной санитарной службы Украины. 
Маркировка единицы потребительской упаковки должна содержать следующие информационные данные о продукте: название продукта; норму массовой доли жира; название и местонахождение изготовителя; товарный знак (при наличии); массу нетто продукта (в г или кг); информацию о составе продукта (в том числе заквасок для сметаны), пищевую ценность, количество молочнокислых микроорганизмов; условия хранения; дату изготовления, срок годности; обозначение стандарта, по которому выпускается продукт; информацию о сертификации продукта. 
При производстве сметаны с массовой долей жира 10% используют бактериальные концентраты «БК-Углич-СМ». «БК-Углич-СМ» – мезофильные молочнокислые стрептококки, подавляющие развитие бактерий группы кишечной палочки в сметане. Бактериальные концентраты используются в виде закваски приготовленной безпересадочным способом или непосредственным добавлением к сливкам. Беспересадочным способом закваску получают на цельном или обезжиренном молоке, пастеризованном при 93-97^оС с выдержкой 43-47 мин. или стерилизованном при 120-122^оС в течение 10-14 мин. Молоко охлаждают до 30-32^оС, вносят концентрат из расчета одна порция на 100-200 литров молока и выдерживают при данной температуре 6-18 часов до сквашивания. Готовую закваску охлаждают до 10^оС и хранят не более 24 час. Кислотность готовой производственной закваски 85-105^оТ. Для заквашивания сливок с целью производства 10% сметаны рекомендуется применять закваски для сметаны, образующие вязкие сгустки. 
При непосредственном внесении бактериального концентрата (одна порция сухого) в сливки его предварительно растворяют в 20-30 мл стерилизованного или пастеризованного и охлажденного до 28-30^оС молока в стерильной емкости. Затем вносят в 195-205 л сливок температурой 28-32^оС, перемещают сразу и через 1-2 часа и выдерживают в течение 14-18 часов до образования сгустка. Бактериальный концентрат – закваска для сметаны – должен храниться при температуре ниже 0^оС не более чем 3 месяца.