Дрожжи и процессы приготовления пищевых продуктов с их использованием

Хлеб — это один из основных продуктов питания, приготовление которого включает целый комплекс процессов, связанных с микробным метаболизмом и действием ферментов муки. Мука содержит питательные вещества, способные поддерживать рост многих микроорганизмов. Микробные клетки попадают в муку при сборе и обработке зерна, а также при приготовлении теста. Микроорганизмы, специально вносимые в тесто, используются при хлебопечении с двумя целями: для образования большого количества углекислого газа, который поднимает тесто и для синтеза дополнительных соединений, придающих специфический вкус и аромат определенным сортам хлеба. Ведущая роль в формировании свойств хлеба отводится пекарским дрожжам. Для изготовления хлеба применяют специальные дрожжевые закваски, причем для хлеба, пива, кваса, вина, спирта в настоящее время используют разные расы дрожжей одного вида Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи для хлебопечения в условиях недостатка кислорода проводят спиртовое брожение, превращая углеводы теста в этанол и углекислый газ, поднимающий опару. Такие дрожжи должны активно расти на глюкозе с обильным газообразованием и переносить высокие концентрации сахаров и поваренной соли в среде. При выпечке хлеба этанол испаряется, а сами дрожжи обычно погибают. Углекислый газ задерживается в тесте и при выпечке формирует характерную пористую структуру хлеба. Некоторые побочные продукты, образуемые дрожжами при спиртовом брожении, могут вносить вклад в окончательный вкус хлеба, однако основную роль в формировании вкусовых качеств специальных сортов хлеба играют бактерии. В настоящее время в закваски для некоторых видов хлеба добавляют пропионовые и молочнокислые бактерии. Например, резкий и кислый вкус рисового хлеба обусловлен развитием в опаре гетероферментативных Lactobacillus brevis и Leuconostoc mesenteroides. Характерная консистенция и вкус традиционного русского черного хлеба возникает при добавлении к приготовленной на основе ржаной муки опаре заквасок, содержащих наряду с пекарскими дрожжами чистые культуры гомоферменгативных МКБ. Закваски для хлебопечения не должны содержать посторонних микроорганизмов и должны быть устойчивыми при хранении.

Дрожжи-сахаромицеты — эго основной действующий элемент в процессах приготовления алкогольсодержащих напитков (вина и пива). Такие продукты могут быть получены из различного растительного сырья, которое содержит доступные углеводы. Наиболее традиционным способом приготовления вина является сбраживание виноградного сока. Сначала отжимают сок из ягод винограда (красные сорта винограда используют для красных и розовых вин, а белые сорта — для белых вин). В случае приготовления белых и розовых вин отжимки отбрасывают, а для красных вин их оставляют в соке. Далее возможно сбраживание виноградного сока дрожжами, которые являются естественной микробиотой винограда, или заквасками винных рас сахаромицетов (например, S. cerevisiae var. ellipsoides). Такие винные дрожжи специально отбирают среди штаммов Saccharomyces cerevisiae и поддерживают на винодельческих предприятиях. Перед внесением заквасок виноградный сок освобождают от естественной микробиоты путем пастеризации или стерилизации. Сбраживание виноградного сока обычно происходит в течение 3—5 дней при температуре 20—28°С. Конечная концентрация спирта в вине составляет от 10 до 12%. Затем отделяют биомассу дрожжей от вина и производят его охлаждение. Некоторые сорта вин могут подвергаться дображиванию или вторичному брожению. В первом случае происходит яблочно-молочнокислое брожение под действием МКБ родов Pediococcus, Leuconostoc, Lactobacillus, при котором яблочная кислота превращается в молочную, что приводит к снижению кислотности вина. Вторичное брожение характерно, например, для игристых (шампанских) вин, когда в вино вносят дополнительное количество сахара, укупоривают его под давлением в бутылки из толстого стекла и оставляют для сбраживания этого сахара. Вторичное брожение хересных вин начинается с добавления спирта до 15% и выдержки вина на воздухе. В таких условиях на поверхности в виде пленки развиваются особые дрожжи, выделяющие ароматические вещества, придающие вину характерные вкус и запах грецкого ореха. Для формирования окончательного вкуса и букета готовые вина выдерживают в больших резервуарах (бочках) или в бутылках. При выдержке в вине идут химические и биохимические реакции, приводящие к стабилизации и созреванию напитка. Эта стадия длится от нескольких месяцев до нескольких лет. Перед продажей вино из больших емкостей разливают в бутылки, при этом иногда смешивают (купажируют) разные партии вина. По содержанию остаточных сахаров вина подразделяются на сухие и сладкие. Дрожжевое брожение прекращается при достижении «12%-го содержания спирта в вине. Если начальное количество сахара больше, чем-то, что может переработаться в алкоголь, то после прекращения процесса брожения еще останется несброженпый сахар. Сухие вина не содержат остаточных сахаров, а в сладких — могут оставаться. В современном виноделии применяют внесение различных ароматических добавок, принудительное нагнетание С0₂ (для искристых вин), дополнительное внесение спирта (для крепленых вин). Для получения сладких десертных вин используют виноград, специально зараженный грибом Botiytis cinerea. Развитие гриба приводит к обезвоживанию ягод и повышению содержания сахара в них. Сок из такого винограда сбраживают специальные дрожжи, быстро перерабатывающие глюкозу и не использующие фруктозу, что и обеспечивает повышенную сладость этого вина.

Приготовление пива отличается использованием зернового сырья, не содержащего сбраживаемых сахаров. Сами дрожжи, как правило, не обладают амилазами, поэтому крахмал зерна должен быть сначала гидролизован до олигои моносахаридов (осахарен). Традиционно в Европе для пивоварения применяется ячмень, в Америке — кукуруза и на Востоке — рис. При использовании ячменя осахаривание крахмала зерна происходит под действием самих ячменных амилаз. Для их активирования проводят замачивание и проращивание зерен ячменя с последующим высушиванием при разных температурах. Такие пророщенные сухие зерна ячменя называют солодом, которые имеет тем более темный цвет, чем выше была температура сушки — 110, 120 или 140 °C. Перед использованием солод размалывают и добавляют к основной массе ячменя «15% по весу. После замачивания смеси под действием ферментов солода происходит осахаривание крахмала зерна. По достижении определенной концентрации сахаров ферментативные процессы останавливают кипячением и жидкость (пивное сусло) отделяют от осадка фильтрацией. К фильтрату добавляют хмель, придающий ему характерную горечь и предотвращающий рост бактерий. После охлаждения в пивное сусло вносят пивные расы дрожжей (например, S. cerevisiae var. carlsbergensis). Это обладающие нужными свойствами варианты пекарских дрожжей, отобранные и поддерживаемые на пивоваренных предприятиях. Различают пивные дрожжи низового брожения, когда биомасса располагается на дне емкости в виде осадка, и верховые дрожжи, выносящиеся при брожении на поверхность в «шапку пива». Брожение низовых дрожжей происходит при пониженной температуре (12—15°С) в течение 7—10 дней. Для крепких сортов пива типа эля используют более плотное сусло, сбраживаемое верховыми дрожжами за 3—4 дня при более высокой температуре (18—20°С) и с обильным газовыделением. Затем полученное пиво отделяют от клеток дрожжей фильтрацией и закачивают в большие резервуары (танки). Лагерные сорта пива выдерживают там при 4 °C от 7 до 60 дней, а остальные сорта разливают в тару для продажи. Иногда для продления срока хранения перед розливом осуществляют «консервирование» продукта путем пастеризации, ультрафильтрации или внесения бензоата, низина и т. д. На бутылках обычно указывается количество градусов Баллинга (11°Б), что соответствует плотности сусла (содержанию в нем сахара) до начала брожения. Если пиво получается «сухое», т. е. весь сахар переработан в спирт (чего почти никогда не бывает), то содержание спирта в готовом продукте можно рассчитать, умножив цифру градусов Баллинга на коэффициент 0,575.

На Востоке сырьем для алкогольсодержащих напитков (саке) является рис, который осахаривают амилазами плесневого гриба рода Aspergillus. Споры гриба переносят на увлажненный рис и выращивают мицелий, который пронизывает всю массу зерна. Гриб выделяет внеклеточные ферменты, гидролизующие крахмал риса. По достижении определенной концентрации сахаров в массе зерна начинается брожение под действием естественной микробиоты риса или S. cerevisiae var. sake. Наряду с дрожжевым спиртовым брожением происходит и образование молочной кислоты молочнокислыми бактериями. Процесс изготовления саке длится до 1 мес., и конечная концентрация спирта в продукте может достигать 18—20%.

Американские индейцы, изготавливая пиво из зерен кукурузы, используют собственную слюну, содержащую амилазы. Они пережевывают кукурузные зерна и выплевывают в емкость с основной массой увлажненных зерен, активируя тем самым осахаривание крахмала. Появление свободных сахаров стимулирует спонтанное спиртовое брожение диких дрожжей.

Более крепкие напитки получают отгонкой спирта из вина или пива. Они различаются начальным субстратом и модификацией отгоночных операций. Например, водки изготавливают путем дистилляции спирта после сбраживания крахмала ржи, пшеницы или картофеля, кукурузный виски (бурбон) — отгонкой спирта после сбраживания кукурузы, коньяк и бренди получают выдерживанием отогнанного виноградного спирта в дубовых бочках, шотландский виски — дистилляцией неохмеленной ячменной бражки. Разные виды крепких напитков содержат различные добавки (например, джин — это водка из спирта, настоянного на ягодках можжевельника, ликеры содержат большое количество сахара и натуральные или синтетические ароматизаторы и т. д.).

Для производства спирта могут использоваться не только пищевые субстраты и отходы пищевых производств, но и техническое сырье, способное подвергаться гидролизу с образованием сахаров, в том числе неферментативному (например, древесные опилки).