БИОЛОГИЧЕСКАЯ СТИМУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТОК В ПИТАТЕЛЬНЫХ СМЕСЯХ

При размножении дрожжи используют сахара для образования биомассы. Спиртовое брожение ограничивается всеми доступными средствами: интенсивной аэрацией, регуляцией концентрации сахаров. Бродильная активность дрожжей повышается в условиях, неблагоприятных для размножения.

Дрожжи хранят в условиях, близких к анаэробным. При хранении прессованных дрожжей происходит изменение их химического состава — снижаются влажность и содержание сухих веществ, а по истечении установленного срока дрожжи начинают потреблять запасные углеводы — трегалозу и гликоген. В связи с этим ухудшаются показатели качества дрожжей, что влечет за собой снижение их бродильной активности.

Прессованные или сушеные хлебопекарные дрожжи находятся в состоянии анабиоза, когда обмен веществ временно прекращается или настолько замедлен, что отсутствуют видимые проявления жизни. Восстановление жизнедеятельности дрожжей происходит при благоприятных условиях и зависит от скорости адаптации. Неадаптированные дрожжи обладают меньшей способностью пропускать через клеточную оболочку сахара. Для активирования дрожжей наиболее целесообразно и эффективно использование жидких питательных смесей, содержащих органические вещества, в частности углеводы, углеводороды, органические кислоты и минеральные соли. В таких питательных смесях заключена потенциальная энергия, которая сосредоточена в различных ковалентных связях между атомами в молекуле. В результате диссимиляции питательных веществ происходит освобождение энергии и образуются химически активные метаболиты, которые используются в жизнедеятельности дрожжей.

Дрожжевые клетки не синтезируют внеклеточные ферменты, обеспечивающие гидролиз сложноорганических соединений: крахмала, белка и др. Поэтому питательные смеси должны содержать в основном гидролизованные высокомолекулярные соединения, гидролиз которых осуществляется ферментами неферментированного солода, микробного происхождения, кислотами или кислотореагирующими веществами. Предварительное вы­держивание клеток дрожжей в питательной смеси создает благоприятные физико-химические условия и повышает активность ферментов, дополнительный их синтез, ускоряет и обеспечивает внутриклеточные биохимические превращения, без которых невозможен процесс брожения.

При разных способах активации отмечается различная их про­должительность. Изучение кинетики сбраживания позволяет выбрать рациональные условия активации сушеных дрожжей.

Процессы обмена веществ в дрожжевой клетке протекают с участием ферментов — биологических катализаторов, в состав которых входят экзо- и эндоферменты. Первые выделяются клеткой для гидролиза сложных веществ среды на простые, которые затем проникают через пористую клеточную стенку дрожжей внутрь, вторые действуют внутри клетки. Различают конститутивные и адаптивные ферменты. У конститутивных ферментов субстратом для их индукции служат метаболиты, образующиеся в процессе жизнедеятельности клетки. У адаптивных индуктором является субстрат, содержащийся в питательной смеси.

Биохимическая ценность дрожжей определяется наличием в них ферментов. Ферментная система, обеспечивающая процесс брожения, сконцентрирована в растворимой фракции цитоплазмы дрожжей. Наиболее важные ферменты системы — это β-фруктофуранозидаза, a-глюкозидаза, глюкокиназа, карбоксилаза, протеаза и пептидаза. Первые два из названных ферментов участвуют в подготовительной стадии брожения, а именно в образовании моносахаридов из дисахаридов — сахарозы и мальтозы.

Хлебопекарные дрожжи выращивают в мелассной среде. Основной составной частью сахаров мелассы является сахароза. В связи с этим дрожжевая клетка активно индуцирует экзофермент β-фруктофуранозидазу, легко выделяющуюся в окружающую среду. Способность дрожжей гидролизовать сахарозу β-фруктофуранозидазой, а затем сбраживать продукты ее гидролиза (глюкозу и фруктозу) называется зимазной активностью. Малътазная активность дрожжей свидетельствует о наличии фермента a-глюкозидазы, характеризующегося способностью гидролизовать мальтозу и сбраживать глюкозу. Питательная смесь, в которой находятся дрожжи, не содержит мальтозы, поэтому индукция фермента a-глюкозидазы в клетке очень слаба. a-Глюкозидаза играет большую роль в процессе приготовления хлеба. Она локализуется в цитоплазме дрожжевой клетки. Чтобы дрожжевая клетка могла использовать мальтозу, этот углевод должен проникнуть внутрь клетки и там гидролизоваться до глюкозы a-глюкозидазой.

β-Фруктофуранозидаза_всегда присутствует в клетке и сосредоточена с внешней стороны ее мембраны. Благодаря этому гидролиз сахарозы происходит прежде, чем она проникнет в клетку. Активность фермента проявляется с первых минут брожения.

Скорость адаптации зависит от способа предварительной обработки. Временные параметры биохимической адаптации варьируют в широких пределах: от 10 мин до 3 ч. За этот период изменяется активность ферментов, присутствующих в дрожжевой клетке и индуцируемых ею.

Питательные смеси для активации прессованных дрожжей и дрожжевого молока.Эффективность процесса адаптации зависит от температуры, наличия биологических катализаторов — ферментных препаратов, минеральных солей, активности среды, рН, углеродсодержащих компонентов, витаминов и ряда других факторов. В настоящее время все большее внимание уделяется биологически ценным добавкам, накапливающимся при переработ­ке основного сырья мукомольной, молочной, мясной, хлебопекарной и консервной отраслей промышленности, а также сырью, ранее не использованному в хлебопекарной промышленности. Большинство разработанных способов предусматривает использование муки, они длительны и не всегда экономичны. Так, одним из наиболее известных способов активации хлебопекарных прессованных дрожжей является способ, заключающийся в том, что период перестройки дрожжей с дыхательного на бродильный тип осуществляется в специально подготовленной питательной смеси до их добавления в тесто. Смесь состоит из муки, воды и заварки, обогащенной неферментированным солодом и соевой мукой. Выдержка дрожжей в такой смеси длится от 1 до 3 ч в зависимости от способа приготовления теста, при этом подъемная сила дрожжей с 14 мин уменьшается до 8. Влажность активированных дрожжей составляет 75—76%, кислотность — 3,5—4,5 град. Способ эффективен, но предусматривает значительный расход муки на активацию, применение дефицитного неферментированного солода и не исключает неравномерную и неполную клейстеризацию крахмала муки при приготовлении заварки. Это отрицательно сказывается на накоплении мальтозы в смеси и, следовательно, на эффекте активации. Расход муки на активацию составляет от 2,6 до 4,0 кг к массе муки в тесте.

На основе этого способа отечественные исследователи разработали различные модификации методов активации дрожжей, так как вопрос чрезвычайно актуален для хлебопекарной промышленности и требует все новых научных и практических изысканий для его решения.

Ферментативные гидролизаты. Состав питательной смеси значительно обогащается при использовании в качестве биологической добавки высокоосахаренных ферментативных гидролизатов. Для их получения используют пшеничную и кукурузную муку или крахмал, который отделяется при отмывке клейковины при выработке диетических сортов хлеба — белково-пшеничного и белково-отрубного. Установлено, что эффективность использования таких гидролизатов зависит от степени гидролиза субстрата.

Ферментативное осахаривание крахмалсодержащего сырья при получении таких гидролизатов в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений, так как исключает стадию выделения крахмала. Как субстрат крахмалсодержащее сырье значительно отличается от свободного крахмала. Наличие в муке белковых веществ, жира, нераствори­мых веществ осложняет процесс гидролиза. Однако как кукурузная, так и пшеничная мука содержат органический фосфор в виде лецитина, фитина, витамины группы В, биотин, токоферол и другие биологически активные вещества, которые могут быть переведены в конечный продукт и существенно повысить его ценность.

Для получения гидролизатов используют спиртоосажденные ферментные препараты разжижающего (амилосубтилин Г10х) и осахаривающего (глюкаваморин Г10х, глюкделемарин П10х) действия.

При подготовке сырья к осахариванию для получения гидролизатов необходимо добиться наиболее полной декстринизации крахмала и достаточной степени разжижения, обеспечивающей подачу гидролизатов в производство по трубопроводам. a-Амилаза препарата амилосубтилина Г10х гидролизует в молекуле крахмала a-1,4-глюкановые связи без определенного порядка, разрывая сложную молекулу крахмала на декстрины различной молекулярной массы. При такой подготовке крахмала создаются условия для эффективного действия глюкоамилазы.

Глюкделемарин П10х обеспечивает гидролиз крахмала (клейстеризованного и декстринированного) до глюкозы на 94—96 %, а глюкаваморин Г10х — до 80,8 % в течение 48 ч при температуре от 55 до 58 °С и дозировке 2000 ед/г субстрата.

Снижение степени гидролиза крахмала при использовании ферментного препарата глюкаваморина Г10х обусловлено следующим. В культурах микромицетов рода Aspergillus awamori, используемых для получения ферментного препарата, образуются ферменты: a-амилаза (3.2.1.1, a-1,4-глюкан-4-глюкангидролаза), глюкоамилаза (3.2.1.3, a-1,4-глкжанглюкогидролаза) и глюкозилтрансфераза (2.4.1.3, a-глюкан —D-глюкозо-4-глюкозил-трансфераза). Наличие последней снижает биохимическую ценность препарата из-за реакции трансгликозилирования. Эта реакция, протекающая параллельно гидролизу, идет в прямом направлении. Оценки каталитических констант трансгликозилирования и гидролиза проведены для лизоцимов, эндо-1,3-β-глюконазы и ос-амилазы. Во всех случаях константы трансгликозилазных реакций на 2—4 порядка выше констант гидролиза. Однако в реальных системах из-за того, что молярная концентрация воды значительно выше, чем углеводов, соотношение двух процессов изменяется в пользу гидролиза.

В качестве конечных продуктов трансгликозилирования оказываются соединения, слабо гидролизуемые и поэтому накапливаемые в реакционной смеси, например изомальтоза.

Препараты глюкделемарина П10х из рода Rhizopus свободны от грансглюкозилаз и не образуют олигосахаридов. Основным ферментом, который продуцируют микромицеты Rhizopus delemar В, является глюкоамилаза, а сопутствующим — a-амилаза.

Активности глюкоамилаз общая и кислотоустойчивая глюкаваморина П10х и глюкделемарина П10х практически одинаковы, а a-амилаз существенно отличаются. Активность общей a-амилазы микромицетов Aspergillus awamori в 8 раз выше, чем a-амилазы Rhizopus delemar В. Aspergillus awamori содержит кислотоустойчивую a-амилазу с активностью 24 ед/г, или 6 % общей активности. Rhizopus delemar В кислотоустойчивой a-амилазы не имеет, следовательно, она отсутствует и в ферментном препарате. Таким образом, при использовании глюкделемарина П10х можно исключить термообработку гидролизатов крахмалсодержащего сырья после осахаривания. При использовании глюкаваморина П10х эта операция необходима, чтобы исключить отрицательное воздействие кислотоустойчивой a-амилазы на физические свойства теста.

Рациональный температурный интервал для действия глюкделемарина П10х лежит в пределах от 55 до 58 °С при естественном рН гидролизуемой смеси; продуктом гидролиза крахмала является глюкоза. При использовании глюкаваморина П10х образуются глюкоза, мальтоза и олигосахариды. Следует отметить, что крахмал пшеничной муки более полно гидролизуется глюкоамилазами, чем кукурузный.

Эти гидролизаты используются для активации дрожжей. Готовят питательную смесь из муки, воды и ферментативного гидролизата. Ферментативный гидролизат получают путем смешивания муки и воды в соотношении 1:1,5 при 40—50 °С с последующей клейстеризацией крахмала и его разжижением путем введения 0,001—0,0013 % (к массе муки в тесте) термостабильной бактериальной a-амилазы с последующей ее инактивацией. Для разжижения смесь быстро нагревают до 85—90 °С при перемешивании. Назначение этой операции заключается в подготовке крахмала муки к осахариванию, т. е. переводе его в форму наибольшей атакуемости.

Гидролиз крахмала проходит до низкомолекулярных декстринов, о чем свидетельствует окраска суспензии при взаимодействии с йодом. Режим подготовки обеспечивает накопление в среде 10—13 % редуцирующих веществ, что является рациональным для эффективного проведения следующей стадии гидролиза — осахаривания. Бактериальную a-амилазу инактивируют при 100 °С в течение 15 мин. Затем смесь охлаждают до 50—60 °С.

Клейстеризованный крахмал муки осахаривают глюкоамилазными ферментными препаратами, для чего в смесь вносят 0,001—0,002 % глюкоамилазы и выдерживают в течение 10—12 ч. Полученный высокоосахаренный ферментативный гидролизат содержит 75—85 % редуцирующих веществ, 65—75 % глюкозы, 15—20 % мальтозы и 10—15 % декстринов. Для активации дрожжей в гидролизат при 30—35 °С вносят 0,5—1,0% муки, 1,0—1,5 % воды и прессованные дрожжи. Смесь выдерживают в течение 30—60 мин при температуре 30—32 °С

На активированных дрожжах готовят опару или безопарное тесто по рецептуре, учитывая при этом массу муки и воды, взятые для активации дрожжей. Гидролизат готовят впрок из расчета 2—3-суточной работы предприятия, сохраняют при 18—20 °С и используют для активации дрожжей при соотношении гидролизата, муки и воды 5:1:2.

Способ активации прессованных дрожжей имеет следующие преимущества: полная и равномерная клейстеризация крахмала муки; снижение вязкости суспензии при приготовлении заварки за счет добавления термостабильной декстринирующей a-амилазы; наиболее полное осахаривание крахмала за счет использования глюкоамилазных ферментных препаратов; биологически более активная питательная смесь; сокращение длительности процесса активации и расхода муки на эти цели; более эффективное использование биологических катализаторов за счет создания оптимальных условий для их действия; приготовление активного компонента питательной смеси — высокоосахаренного гидролизата впрок.

При использовании высокоосахаренных гидролизатов на активацию дрожжей влияет количество гидролизата, муки и дрожжей в питательной смеси в стадии активации.

Изменение массы гидролизата в питательной смеси приводит к изменению объема выделившегося СО₂ при активации, в период брожения опары, теста и в процессе расстойки. Наибольшее газообразование наблюдается в тесте, приготовленном на активированных дрожжах в питательной смеси, содержащей 2,5 % гидролизата. Изделия отличаются ярко выраженной окраской корки, эластичным мякишем, увеличенным удельным объемом хлеба при опарном приготовлении теста на 15 %, при безопарном — на 20 % при продолжительности активации 30 мин по сравнению с хлебом, приготовленным на дрожжах без предварительной их адаптации.

При активации дрожжей в питательной смеси, содержащей кроме 2,5 % гидролизата 0,5 % муки, увеличение удельного объема хлеба составляет 23 %. Содержание бисульфитсвязывающих веществ выше в тех изделиях, где проведена активация дрожжей. Уменьшение продолжительности брожения теста на активированных дрожжах на 1 ч не снижает качества хлеба.

Наиболее ощутимый эффект активации достигается при следующем расходе ингредиентов: дрожжи — от 0,5 до 1,0 %, мука — 0,5, высокоосахаренный ферментативный гидролизат — 2,5 % к массе муки в тесте.

Если для осахаривания используют глюкоамилазные ферментные препараты с кислотоустойчивой a-амилазой, то в этом случае после осахаривания рекомендуется проводить термическую обработку гидролизата для инактивации этого фермента.

Таким образом, применение высокоосахаренного ферментативного гидролизата для активации дрожжей интенсифицирует процесс приготовления теста, что дает возможность сократить цикл его созревания на 25 %, при этом качество изделий улучшается.

Для получения высокоосахаренных ферментативных гидролизатов используют пшеничную муку. Однако они могут быть получены и из крахмала, который отделяется при отмывке клейковины при выработке диетических сортов хлеба — белково-пшеничного и белково-отрубного. На хлебозаводах обычно такой крахмал (крахмальное молоко) добавляют в опару или тесто в количестве, не превышающем 2 % массы муки в тесте. Увеличение дозировок крахмала приводит к ухудшению качества продукции.

В таких случаях целесообразно использовать способ активации дрожжей с использованием питательной смеси, состоящей из высокоосахаренного гидролизата, обогащенного белковыми и минеральными веществами, причем в качестве крахмалсодержащего сырья лучше использовать крахмал-сырец. Суспензию пшеничного крахмала и воды готовят в соотношении 1:3. Разжижение проводят амилосубтилином Г10х при температуре до 90 °С и выдерживают в течение 15 мин, интенсивно перемешивая. Для инактивации a-амилазы ферментного препарата и лучшей подготовки суспензии для последующего осахаривания температуру гидролизуемой смеси поднимают до 100 °С и выдерживают ее при этой температуре также 15 мин, интенсивно перемешивая.

Учитывая отсутствие азотистых компонентов в крахмале, недостаток минеральных веществ, необходимых для жизнедеятельности дрожжей, перед внесением осахаривающего ферментного препарата при температуре 60 °С вносят соевую или гороховую муку. На стадии смешивания гидролизата с водой вводят КН₂Р0₄ и СаО. В качестве осахаривающего и обладающего протеолитической активностью ферментного препарата используют амилоризин G10х в дозировке от 0,001 до 0,0012 % к массе муки в тесте.

Аппаратурно-технологическая схема приготовления питательной смеси для активации хлебопекарных прессованных дрожжей приведена на рис. 3.2.

При приготовлении гидролизата в заварочную машину дозируют муку температурой 50 °С и крахмал-сырец. Компоненты перемешивают до получения однородной суспензии. Из микродозатора подается водный раствор амилосубтилина Г10х или амилосубтилина П10х. Затем суспензия быстро нагревается до 95 °С при перемешивании, в результате происходят равномерная клейстеризация и полная декстринизация крахмала. С целью инакти­вации термостабильной a-амилазы ферментного препарата температуру в смеси поднимают до 100 °С и при этой температуре смесь выдерживают в течение 15 мин. Затем суспензия шестеренным насосом перекачивается в емкость для гидролиза. В эту же емкость дозируются водный раствор амилоризина П10х и белковый обогатитель. Процесс гидролиза белковых веществ длится в течение 10 ч, после чего гидролизат перекачивают в смеситель, куда поступает вода, при этом его температура снижается до 34°С. Затем вводят минеральные добавки.

После тщательного перемешивания вводят дрожжи, и процесс активации их в полученной питательной смеси длится от 45 до 60 мин.

Рис. 3.2. Аппаратурно-технологическая схема приготовления питательной смеси для активации хлебопекарных прессованных дрожжей:

1 — бачок Ш2-ХДИ; 2 — заварочная машина X3-2M-300; 3 — микродозатор; 4 — чан дрожже­вой РЗ-ХЧД с мешалкой и водяной рубашкой для гидролиза; 5 — смеситель-чан дрожжевой РЗ-ХЧД с мешалкой и водяной рубашкой; 6 —  насос шестеренный Ш2-ХДН

Качество изделий, приготовленных на активированных дрожжах, отличается лучшими показателями: удельный объем увеличивается на 25%, формоустойчивость — на 7, пористость — на 8, эластичность мякиша — на 30 и содержание бисульфитсвязывающих соединений — на 9 %.

При применении вышеописанного технологического приема расход прессованных дрожжей уменьшается до 30 % к массе муки в тесте, сокращается период брожения теста до 40 мин, расстойки — до 15 мин, улучшаются органолептические и физико-химические показатели качества изделий, более рационально и эффективно используется крахмал-сырец.

Пищевая и перерабатывающая промышленность агропромышленного комплекса страны располагают ценными, дешевыми и доступными побочными продуктами, которые можно эффективно использовать для увеличения выработки продуктов и регулирования технологических процессов их производства. При получении плодово-ягодных вин и соков образуются яблочные выжимки, которые характеризуются пищевой ценностью (табл. 3.4).

По содержанию сахара и кислот выжимки незначительно отличаются от исходного сырья, что обусловливает их пищевую ценность. В то же время выжимки содержат большое количество клетчатки, что затрудняет их использование для производства пищевых продуктов без дополнительной обработки. Спектр применения яблочных выжимок весьма широк — получение пектина, сахарсодержащего порошка, масла из семян. Яблочные выжимки можно использовать в качестве компонента питательной среды, при выращивании плесневых грибов, в производстве ферментных пектолитических ферментов и для адаптации дрожжей в хлебопечении.

Таблица 3.4