Содержание к диссертации
Введение
І.Обзор литературы 7
1.1. Характеристика хлебопекарных дрожжей 7
1.2. Морфология различных штаммов хлебопекарных дрожжей 9
1.3. Расы дрожжей, применяемые в хлебопекарном производстве и их технологические свойства 9
1.4. Использование различных пищевых и биологически активных добавок для интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности 20
1.5. Влияние различных биотических факторов на метаболизм дрожжей 27
1.6. Влияние макро и микро элементного состава питательной среды, стимуляторов роста на культивирование дрожжей S. cerevisiae 30
1.7. Использование методов физического и электрофизического воздействия на дрожжевые клетки 35
2. Экспериментальная часть 50
2.1 Объекты и материалы исследования 50
2.2. Методы исследования 60
2.2.1. Методы определения физико-химического состава мелассы 60
2.2.2. Методы исследований свойств дрожжей 60
2.2.3. Методы ультразвукового воздействия 61
2.3. Результаты исследований и их обсуждения 63
2.3.1. Выбор основного сырья и наиболее активного продуцента хлебопекарных дрожжей среди иранских и российских источников 63
2.3.2. Микробиологическая характеристика меласс, применяемых для выращивания хлебопекарных дрожжей 71
2.3.3. Исследование влияние аминокислотного витаминного активатора (препарата ABA) на рост дрожжей S.cerevisiae ЛВЗ и их технологические показатели 75
2.3.4. Исследование влияние препарата Спирулина платенсис (СП)
на рост дрожжей S. cerevisiae и их технологические показатели 90
2.3.5 Исследование влияния обработки ультразвуком на физиолого- биохимические и технологические показатели дрожжей 108
2.3.6 Исследование влияния комбинированной обработки с применением Спирулина платенсис и ультразвуковой обработка на физиолого биохимические и технологические показатели дрожжей... 122
З.Технологическая часть 128
4. Экономическое обоснование 133
Выводы 137
Список литературы
- Морфология различных штаммов хлебопекарных дрожжей
- Использование различных пищевых и биологически активных добавок для интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности
- Методы определения физико-химического состава мелассы
- Исследование влияние аминокислотного витаминного активатора (препарата ABA) на рост дрожжей S.cerevisiae ЛВЗ и их технологические показатели
Введение к работе
Актуальность работы
Хлеб в Иране является главной составляющей рациона питания населения. По структуре производственных мощностей предприятия, выпекающие хлеб, располагаются следующим образом: 75% - от общего количества составляют мини - пекарни; 15% - промышленные заводы; 10% -домашние предприятия. В Иране имеется 3 дрожжевых завода в г. Мешхад, Ченаран, Иранмае, построенные с привлечением западного капитала. Не всегда дрожжи, выпускаемые на предприятиях, по своим технологическим и экономическим характеристикам отвечают требованиям, предъявляемым многими потребителями.
Кроме того, из-за экономических соображений частные малые предприятия вынуждены либо сами готовить закваски дрожжей, либо приобретать дрожжи более дешевые, привозные из других стран, что не всегда положительно влияет на качество выпускаемого хлеба. Следует отметить, что в Иране, практически, не занимаются научно-исследовательскими разработками, связанными с технологическими аспектами получения дрожжей, а, вероятно, результаты таких разработок помогли бы решить проблему получения высококачественных хлебопекарных дрожжей, внедрение которых в Иране оказалось бы весьма рентабельным.
В связи с вышеперечисленным, разработки, связанные с интенсификацией получения хлебопекарных дрожжей, богатый опыт которых имеется в России, весьма актуальны и перспективны для Ирана. Полученные результаты могут быть внедрены также в учебном процессе для подготовки специалистов - инженеров технологов.
5 Цель и задачи исследования
Цель работы - разработать технологические приемы, позволяющие интенсифицировать процесс получения чистой культуры хлебопекарных дрожжей и улучшить их основные технологические свойства. Разработанные приемы должны быть легко воспроизведены, как в России, так и в Иране. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
провести скрининг среди рас хлебопекарных дрожжей, применяемых в России и Иране, и выбрать наиболее продуктивные по накоплению биомассы и наиболее устойчивые к инфицированию;
определить наиболее перспективные источники основного сырья для выращивания дрожжей среди российских и иранских образцов мелассы;
определить наиболее эффективные биологически активные добавки (БАД) для получения чистой культуры дрожжей и разработать способы их применения;
изучить основные культуральные, морфологические и технологические характеристики хлебопекарных дрожжей, выращенные с применением БАД;
разработать режимы ультразвуковой обработки дрожжей и определить основные технологические показатели дрожжей;
изучить возможность комплексного влияния БАД и ультразвуковой обработки на интенсификацию процесса получения чистой культуры хлебопекарных дрожжей с одновременным улучшением их основных свойств.
Научная новизна исследований
Проведен скрининг среди российских и иранских штаммов микроорганизмов - продуцентов хлебопекарных дрожжей и выбраны 2 - ЛВЗ (Россия) и SF06 (Иран);
Изучены основные культуральные, морфологические, физиолого-биохимические и технологические свойства отобранных штаммов.
6 Установлено, что раса ЛВЗ наиболее устойчива к бактериям, приводящим к процессу агглютинирования дрожжей.
На основании анализа литературных данных, касающихся метаболизма дрожжей и потребностей в различных аминокислотах, были выбраны следующие БАД: препараты аминокислотный витаминный активатор из осадочных пивных дрожжей (ABA) и Спирулина платенсис (СП).
Изучено влияние ABA и СП на физиологическую активность и технологические свойства хлебопекарных дрожжей;
Исследовано влияние обработки ультразвуком (УЗ) дрожжевой суспензии на физиологическую активность и технологические свойства хлебопекарных дрожжей;
Установлена эффективность комбинированного приема (УЗ) обработки и использования БАД на интенсификацию процесса получения чистой культуры дрожжей и улучшение их основных технологических показателей.
Практическая значимость
Разработаны технологические приемы, позволяющие интенсифицировать процесс получения чистой культуры хлебопекарных дрожжей с использованием БАД и ультразвуковой обработки, а также их комбинации. Предложенные приемы позволили на 50 % интенсифицировать процесс накопления биомассы и улучшить основные технологические показатели дрожжей: подъемная сила увеличивается на 26 %; зимазная активность на 19 %; осмочувствительность на 20 %;
Расчетно - экономический годовой эффект от внедрения технологии составит 151 тыс.у.е при производительности 4 тыс. т. прессованных дрожжей.
Разработанные схемы могут быть внедрены на дрожжевых заводах Ирана, так как используемые в работе приемы являются доступными и воспроизводимыми.
Морфология различных штаммов хлебопекарных дрожжей
Расой или штаммом называют отдельные разновидности микроорганизмов в пределах одного и того же вида, различающиеся между собой второстепенными признаками. При этом расы имеют стойкие второстепенные признаки, а штаммы нестойкие и могут быть утрачены при росте на новой среде.
Производственные культуры дрожжей должны обладать высокой удельной скоростью роста, что особенно важно при многофазных технологических режимах приготовления хлеба, предусматривающих длительное приготовление полуфабрикатов высокой активностью ферментов. Характеристика морфологических и физико-химических свойств и технологических показателей отдельных штаммов дрожжей, применяемых в хлебопекарном производстве приведены ниже [19,79,96,138]. Раса Одесская 14 выделена в 1958 г. на Одесском дрожжевом заводе из образца импортных сушеных дрожжей. Культура отличается высокой генеративной активностью. Дрожжи устойчивы к высушиванию, в прессованном виде стойки при хранении. Мальтазная активность составляет 95 мин, зимазная - 45 мин. Культура требовательна к составу питательных сред, особенно к ростовым веществам. Однако, благодаря высокой урожайности и ферментативной активности, она нашла широкое распространение в промышленности.
Штамм Л-441 выведен в ЛО ГосНИИХП путем отбора на основе естественной изменчивости дрожжей расы Одесская 14. Штамм Л-441 характеризуется высокой продуктивностью, сбраживает раффинозу, устойчив к вредным примесям и патогенным микроорганизмам, имеет высокую удельную скорость роста и обеспечивает хорошие свойства товарных хлебопекарных дрожжей: подъемная сила 44-45 мин, мальтазная активность 92-95 мин, стойкость при температуре 35 свыше 96 ч.
Штамм Я-1 выведен на Янгиюльском дрожжевом заводе из производственной чистой культуры дрожжей расы 14 путем направленного отбора. Штамм испытан в производственных условиях в течение ряда лет. Культура обладает высокой генеративной активностью и устойчивостью к повышенной температуре выращивания (37-38), что очень важно для заводов, находящихся в южных районах страны. Подъемная сила товарных дрожжей - 40-47 мин, зимазная активность 32-44 мин.
Раса Томская 7 выделена Е.А.Плевако и Н.Г.Макаровой из прессованных дрожжей Томского дрожжевого завода в 1939 г. Эта раса характеризуется устойчивостью к составу мелассных сред, требовательностью к ростовым веществам, в частности к витаминами. Прессованные дрожжи, полученные на этой расе, стойкие при хранении, обладают высоко Р-фруктофуранозидазной активностью, но слабой а -глюкозидазной активностью(мальтазная активность более 160 мин.).
Раса Киевская 21 выделена в 1960 г. М. К. Рейдман из импортных сушеных дрожжей методом многократной активации с биогенными стимуляторам. Культура не требовательна к ростовым веществам, хорошо переносит высушивание, обладает хорошей зимазной (60 мин) и мальтазной (100 мин) активностью.
Гибридные расы 176, 196-6 и 262 отвечают основным требованиям, предъявляемый к производственным дрожжам, и рекомендованы для использования в промышленности: мальтазная активность 65-75 мин, зимазная 42-57 мин, высокая скорость роста.
Селекционированы новые штаммы 739, 743, 608, 616, 722, отличающиеся высокой активностью ферментов. Выведен штамм ЛВ-7, используемый для производства прессованных и сушеных дрожжей. Штамм характеризуется повышенной устойчивостью к примесям мелассы и микрофлоре, инфицирующей дрожжевое производство, отличается повышенной продуктивностью и превосходит аналоги по концентрации трегалозы в 2 раза. Показатель подъемной силы прессованных дрожжей штамма ЛВ-7 составляет 43-47 мин, осмочувствительность - 6-10 мин.
Штамм дрожжей 616 используется для производства сушеных дрожжей и превосходит расу 14 по активности ферментных систем дрожжей. Мальтазная активность дрожжей составляет 67 мин., зимазная - 55 мин.
Штамм 722 отличается хорошей мальтазной (54 мин), зимазной (43 мин) активностью, подъемной силой (46 мин) и осмочувствитель-ностью (5-10 мин).
Использование различных пищевых и биологически активных добавок для интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности
Пищевые добавки - группа природных или синтетических веществ, специально вводимых в сырьё, полуфабрикаты или в готовые пищевые продукты с целью совершенствования технологии получения или придания им необходимых свойств и не употребляемых обычно в качестве пищевых продуктов и не являющимися макро или микронутриентами [33]. Существуют способы активации, как пивных, так и хлебопекарных дрожжей, предусматривающие введение активаторов роста дрожжей в питательные среды [65,101,193]. Увеличение бродильной активности дрожжей и накопление их биомассы достигается за счёт применения активаторов роста. В их составе могут быть: - витамины; - аминокислоты; - микроэлементы; - ПАВы (поверхносто активные вещества); - пуриновые и перемидиновые основания и др.
Все перечисленные компоненты могут находиться в дрожжевых автолизатах и гдиролизатах, а также в растительных экстрактах.
Для интенсификации процесса размножения дрожжей (как чистой культуры так и последующих генераций производственной культуры) перед подачей дрожжей в бродильные аппараты, в питательные среды следует внести активаторы роста. Это обеспечивает высокую физиологическую активность дрожжей.
С целью улучшения состава ростовых факторов используют препараты, полученные из осадочных пивных дрожжей.
В настоящее время широко изучаются схема получения гидролизатов, способы их очистки для дальнейшего использования сложного комплекса в виде аминокислотных смесей [8,118,126].
Для выделения гидролизатов из биомассы дрожжей необходимо разрушить их вегетативную клетку. Это достигается физическими, химическими и биохимическими способами.
Физически, т.е. растиранием: дрожжевые клетки совместно с песком и мелкими стеклянными шариками, подвергают быстрому температурному и ультразвуковому воздействию [53]. Кислотный и щелочной гидролиз относят к химическим методам. При кислотном гидролизе происходит сильное разрушение триптофана, а так же целого ряда аминокислот: лизина до 47%;аргинина до 42%;цистеина до 22%; гистидина до 10%;метионина до 2%.
При этом наблюдается большое образование летучих аминов и карбоксильных соединений, которые могут образовывать нежелательные реакции.
При щелочном гидролизе также есть ряд нежелательных реакций: возможны разрушения незаменимых аминокислот, возникновения изомеризации Д-формы, которые непригодны для использования в пищевых производствах.
Начиная с 60-х годов XX столетия, биомасса дрожжей используется, как сырьё для получения из него аминокислотных смесей и низкомолекулярных пептидов [23,24,108,199].
Запатентовано описание способов получения незаменимых аминокислот, причём, основная их часть с помощью микробиологической ферментации [186]. Основное достоинство этого процесса -микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически-активной L-форме [204].
Авторы, при проведении гидролиза с использованием химических факторов предлагают поддерживать рН= 1,0. Дрожжи обрабатывают 10% раствором HCL в соотношении 10:1, при t=30C в течение 2-3 дней. Полученный дрожжевой автолизат можно хранить месяц. Автолизат добавляют во время брожения в количестве 1%, для обогащения пищевого продукта белковыми веществами, аминокислотами, витаминами. При этом улучшается вкус и аромат готового продукта [10].
Способ получения водорастворимых автолизатов дрожжей предусматривает прогревание водной суспензии дрожжей при 45-55С в присутствии олеиновой кислоты и гипохлорида Na (0,1-0,3 % масс при расчёте на абсолютно сухие дрожжи). Такая обработка позволяет увеличить глубину автолиза (аминный азот - 7% масс; нуклеиновых кислот - 3% масс) [107].
Известен способ получения биологически активных дрожжевых автолизатов, полученных путём прогревания суспензии при t= 45-55%. Его длительность составляет 40 часов, но в присутствии химических добавок, обладающих плазмолизирующими и антисептическими свойствами. Это может быть смесь этилацетата и карбоновой кислоты.
Активация дрожжей возможна и с использованием эффекта синергизма серосодержащих соединений и солей Mg и Zn. На втором этапе в питательную среду вводят витамины и выдерживают их при t= 20-35С в течении 5-40 минут, постоянно перемешивая.
Методы определения физико-химического состава мелассы
Изучали следующие свойства дрожжей: подъемную силу, зимазную активность, влажность, осмочувствительность.
Подъемную силу дрожжей определяли по методу всплывания шарика, приведенном в руководстве [21,37,159 ].
Зимазную активность дрожжей определяли с помощью микрогазометра системы Елецкого по методикам, приведенным в руководствах [21,37,139].
Осмочувствительность дрожжей определяли по методу, приведенному в руководстве [21,37] и выражали разницей во времени между подъемной силой дрожжей в тесте без соли и в тесте с повышенной концентрацией соли до 3,35%.
Влажность дрожжей определяли методом высушивания навески до постоянного веса, описанным в руководстве [37].
Изучение морфологических и физиологических характеристик Saccharomyces cerevisiae проводили общепринятыми в микробиологии методами [60,61]. Определение микробиологического состояния клеток -путем микроскопирования; количество жизнеспособных клеток определялось подсчетом под микроскопом после окраски препарата метиленовой синью, количество клеток с гликогеном - путем окрашивания раствором Люголя. Биомассу дрожжей определяли методом прямого подсчета с использованием камеры Горяева и путем взвешивания предварительно отфильтрованного и высушенного до постоянной массы осадка дрожжей.
Наши исследования проводились при комнатной температуре на ультразвуковом лабораторном экстракторе марки 18Н ЮТ.
При этом в приборе имелся 1 излучатель мощностью = 0,1 кВт, рабочая частота составила 22 кГц, акустическая мощность экспоненциального излучателя до 1 Вт/см рабочая емкость 0.2 л.
Экспериментальная акустическая установка получена с кафедры «Процессы ферментации и промышленного биокатализа» МГУПП. В установке используется насосная станция марки 18Н10Т, насос винтовой, привод от электродвигателя АО-52-4, емкость 1 л. Основными воздействующими факторами являются длительность и интенсивность излучения. В нашей работе изменяется только длительность обработка. Двухсуточная чистая культура дрожжей вносились в раствор мелассы. После инкубирования при t=28-30 в течение 48-72 часов, из них отбирались образцы контроля.Другая часть подвергалась ультразвуковой обработке по требуемому режиму. Определения проводились в 3-4 повторностях, в диссертации представлены средние арифметические данные из трех повторностяей.
Изучению микрофлоры мелассы посвящено сравнительно мало исследований. Известно, что микрофлора мелассы определяется качеством сырья (свеклы), которая может существенным образом отличаться в течение производственных циклов, а также в зависимости от почвенных и климатических условий его произрастания.
Кроме того, микрофлора меласс изменяется в зависимости от длительности и условий хранения. Нами были проанализированы 3 образца российской (образцы 1,2,3)и 2 образца иранской мелассы (образцы 4,5) с целью изучения в них количества и качества микроорганизмов.
Результаты наших экспериментов представлены в табл. Следует отметить довольно значительную разницу в общем количестве бактерий в образцах российской и иранской меласс (от 90 до 810 тыс. в 1 г). Количество спороносных бактерий (разведения мелассы высевали на чашках Петри после 1 минуты пастеризации для уничтожения вегетативных форм) во всех образцах было значительно ниже, а именно, в 2,3-2,9 раз (см. графу 4 табл.25).
Нами было установлено, что все образцы меласс содержали разновидности B.mesentericus.
В варианте №2 обнаружены также бактерии B.macerans. Во всех вариантах за исключением варианат №4 и №5 обнаружены спороносные пигменты палочки коккобацилл, которые при культивировании на твёрдых средах дают желто-оранжевый пигмент.
Бактерии B.mesentericus несомненно являются вредителями дрожжевого производства. Они очень быстро развиваются, несмотря на то, что для своего развития требуют более нейтральные значения рН, чем рН среды для дрожжевого производства. Иногда они могут образовывать на поверхности заражённой жидкости плёнку или придавать среде вязкую консистенцию.
Из грибной микрофлоры во всех образцах присутствовало незначительное количество Penicillium и Aspergillus.
В литературе встречаются данные, что дрожжевые клетки довольно часто подвергаются процессу агглютинации - склеиванию в крупные хлопья, быстро оседающие на дно бродильного чана. Единого мнения о причинах этого явления нет.
Считается, что это может быть обусловлено несколькими причинами:
1. «энзиматическая» теория, когда нарушается развитие клетки, вследствие чего уменьшается количество протеолитических ферментов, способных расщепить белки окружающей среды; в этом случае дрожжевая клетка как бы обволакивается белками сусла и клетки склеиваются;
2. при изменении электрического заряда клетки дрожжи начинают притягиваться друг к другу и образуют хлопья, при этом белковые частицы, имея противоположный от дрожжевой клетки заряд, покрывают слизью оболочки клетки, что ведёт к склеиванию дрожжевых клеток.
Ряд авторов отмечают тот факт, что на одном и том же предприятии это явление то возникает, то исчезает.
Имеются сведения, что явление агглютинации связано с участием микроорганизмов, в частности, группы агглютинирующих бактерий.
Логично было предположить, что наиболее вероятный путь явления агглютинации может быть связан с участием микроорганизмов, так как на одном и том же предприятии Ирана это явление не было постоянным. Более того, причиной этого явления может быть сырьё - меласса, изменяющаяся от партии к партии.
Нами были проанализированы 8 партий мелассы с Иранского дрожжевого завода, которые высевались на чашки Петри с суслом агаром, содержащем 2% мела. Через 48 часов роста при t= 37 выделяли кислотообразующие бактерии.
Исследование влияние аминокислотного витаминного активатора (препарата ABA) на рост дрожжей S.cerevisiae ЛВЗ и их технологические показатели
Препарат Спирулина платенсис содержит, практически, все необходимые компоненты питательной среды - факторы роста (аминокислоты, витамины, макро- и микроэлементы), участвующие в процессе метаболизма дрожжей [22].
Как было представлено в табл. 11, основная часть препарата Спирулины представлена азотистыми веществами и в ней присутствуют, практически, все незаменимые аминокислоты.
Известно, что дрожжи являются аминоавтотрофами и могут синтезировать все необходимые аминокислоты из неорганических форм азота. Однако, синтез аминокислот требует расхода сбраживаемых Сахаров и сопровождается образованием побочных продуктов брожения, таких как алифатические и ароматические спирты, эфиры, органические кислоты, альдегиды, кетоны и сернистые соединения. Поэтому обогащение питательной среды свободными аминокислотами способствует сокращению расхода сахара на построение биомассы дрожжей, более полному использованию редуцирующих Сахаров и снижению образования побочных продуктов. Дополнительное введение той или иной аминокислоты может улучшить физиологическое состояние клетки и стимулировать метаболизм [156,160].
В препарате Спирулина платенсис присутствуют цистеин и аспарагиновая кислота, которые ответственны за биосинтез и действие ферментов, а также участвуют в процессе почкования и деления клетки.
На основании приведенных данных по аминокислотному составу можно сделать вывод, что введение Спирулины платенсис в сбраживаемую среду позволяет получить более сбалансированный состав питательной среды.
Для метаболизма дрожжей важно и содержание жира и жироподобных веществ в среде. Липиды являются не только энергетическими ресурсами и структурными компонентами клетки, но и выполняют регуляторные функции в обмене веществ клетки, взаимодействуя с белками, энзиматическим комплексом и мембранами.
Синтез насыщенных жирных кислот, осуществляемый в растворимой части цитоплазмы, катализируется синтетазой. В митохондриях и эндоплазматической сети содержатся ферменты, способные удлинять цепи жирных кислот.
Активирующее влияние препарата Спирулины платенсис на дрожжи можно объяснить и высоким содержанием витаминов, входящих в комплекс.
Известно, что большую часть витаминов, необходимых для метаболизма, дрожжевая клетка синтезирует самостоятельно, однако, некоторые должны поступать извне. Это - биотин, мезоннозит, пантотеновая кислота, тиамин, пиродоксин, никотиновая кислота. Недостаток этих компонентов снижает способность к размножению и другие биосинтетические процессы. [13].
Введение в среду органического источника факторов роста, по данным многих исследователей, обуславливает ускорение роста культуры.
Дополнительное введение с препаратом тиамина и пантотеновой кислоты способствует активации энергетических процессов в клетке, т.к. эти витамины входят в состав мультиэнзимного комплекса, катализирующего образование ацетилкофермента А - необходимого звена основных энергодающих процессов.
Пиродоксин и инозит входят в состав каталитических систем, участвующих в азотистом обмене и синтезе нуклеотидов, поэтому повышение их содержания в питательной среде способствует их росту и размножению дрожжевых клеток.
Показано, что оптимальный состав в среде неорганических ионов оказывает влияние не только на ионный гомеостаз клетки, но и на ее жизнедеятельность, в том числе на синтез ДНК, активирование хромосом, стабильность рибосом и так далее. Для синтеза ДНК необходим Са при работе как с целыми клетками, так и выделенными ядрами. Двухвалентные катионы Mg2+, Мп2+ и Са2+ являются не только активаторами фермента, но и стабилизаторами его активной конформации.
Добавление к сбраживаемому суслу железа, свинца или марганца приводит к увеличению синтеза пировиноградной кислоты. При усилении аэрации, образование кислот усиливается и, соответственно, снижается уровень рН.
Подъемная сила дрожжей при введении железосодержащей добавки несколько возрастает, но так как одновременно при этом происходит усиление выделения восстановленного глютатиона, наличие которого может привести к ослаблению теста, внесение солей железа на стадии активации дрожжей нельзя признать целесообразным [18].
