Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия

История биотехнологии

10

Биотехнология сегодня

Биотехнологическое производство пищевых продуктов

12

Алкогольные напитки

ВВЕДЕНИЕ. Напитки, содержащие этиловый спирт, в той или иной мере распространены во всех мировых культурах. В Западной Европе это пиво, вино, сброженные фруктовые соки и игристые вина, а в странах Азии это, прежде всего, рисовая водка сакэ. Во многих регионах существуют традиции получения своеобразных, характерных только для этой местности напитков, в которых в разных концентрациях содержится этанол: в Средней Азии это кумыс, получаемый из молока кобыл, в Восточной Европе – квас, на Ближнем Востоке – пиво на основе проса, а в странах Южной Америки – пиво, получаемое путем сбраживания сока агавы.

ВИНО. Вино получают путем сбраживания виноградного сока с помощью дрожжей. На вкусовые качества вина (букет) оказывают влияние множество факторов, среди которых наиболее важными являются сорт винограда, условия его выращивания, погодные условия, при которых производится сбор винограда и, конечно, технология приготовления вина. Виноделие включает несколько стадий. Первая стадия – это предподготовка: сбор винограда, его дробление и прессование, то есть получение сока, последующая переработка (различна для красного и белого вина) и сбраживание сока с образованием молодого вина. Вторая стадия – обработка вина, его выдерживание и розлив. В процессе дробления и прессования ягоды освобождаются от косточек и кожицы (мезги). В случае белых вин мезгу быстро отделяют от сусла, а при традиционной технологии переработки по «красному способу» без разделения выдерживают при температуре 20 °С для того, чтобы антоцианы, содержащиеся в кожице ягод, перешли в сок. В современном производстве применяют и другие способы извлечения красящих веществ из мезги: например, нагревание до 40–50 °С или добавление пектиназ к мезге приводит к быстрому высвобождению антоцианов в раствор. Высококачественные (сортовые) вина изготавливают, как правило, из одного сорта винограда, однако допускается смешивание сусла, полученного из различных сортов (купажные вина); в неурожайные годы это вызвано необходимостью. В зависимости от технологии к полученному суслу добавляют сахар, кислоты, небольшие количества CaCO3 для нейтрализации кислоты и также небольшие количества SO2 или пиросульфита калия (этап сульфитирования). Эти добавки улучшают вкусовые качества вина, предотвращают рост нежелательных аэробных микроорганизмов (таких как уксуснокислые бактерии или плесневые грибы) при брожении, препятствуют окислению натуральных красящих веществ и ароматизаторов и ингибируют фенолоксидазу – фермент, в результате действия которого вино при сбраживании приобретает коричневый цвет. Традиционно брожение проводили в деревянных бочках, однако в современном производстве чаще используют резервуары из полимерных материалов или высококачественной стали. Брожение может происходить с участием диких штаммов дрожжей, содержащихся в кожице

винограда, или при помощи культуры чистых винных дрожжей определенного штамма (Saccharomyces cerevisiae или S.ellipsoideus). Продолжительность брожения составляет от нескольких дней до нескольких месяцев в зависимости от состава сусла и температуры ферментации. При изготовлении сухих вин сахар сбраживается полностью, а полусладких и сладких вин – брожение прерывают искусственно. При необходимости продлить процесс брожения, в среду культивирования добавляют сусло, предварительно законсервированное обработкой СО2 под давлением 8 бар. Вина различают по содержанию сахара и спирта. Сухие вина содержат не более 9 г сахара/л, полусухие – не более 18 г/л, а десертные вина – свыше 18 г/л. Содержание спирта в вине также определяет его принадлежность к тому или иному сорту: если вино готовят без внесения в сусло добавок, содержание спирта в нем не может быть выше 12% об.; в крепленые вина добавлен этиловый спирт (более 12% об.). Молодое вино выдерживают. Совокупность химических, биологических и физических процессов, которые протекают при выдерживании вина, способствует созреванию его вкуса; при этом необходимо, чтобы рН >3,2 – такие условия благоприятствуют росту молочнокислых бактерий, которые в ходе малатно-лактозной ферментации превращают яблочную кислоту в значительно более слабую молочную кислоту

и СО2.

ИГРИСТЫЕ ВИНА получают из столовых (натуральных) вин. В вино добавляют 1–3% сахарозы и дрожжи. Сбраживание, осуществляемое в бутылках или закрытых резервуарах, протекает с образованием этанола и СО2. При температуре 20 °С избыточное давление в бутылках с готовым игристым вином должно составлять не менее 3 бар.

КРЕПКИЕ СПИРТНЫЕ НАПИТКИ с содержанием спирта 30–60% получают в результате сбраживания сахаросодержащих экстрактов зерна, корнеплодов и фруктов и последующей дистилляции. Сырьем для бренди и коньяков служит виноград, для корна и виски – кукуруза, водки – картофель, текилы – сок агавы и т.д.

РИСОВАЯ ВОДКА (САКЭ). Производство рисовой водки в большей мере напоминает пивоварение, чем виноделие, так как сбраживаемым углеводом является крахмал, однако в отличие от производства пива процесс ферментации при получении сакэ осуществляется в анаэробных условиях. Сваренный на пару рис размельчают и смешивают со спорами гриба Aspergillus oryzae; в результате инкубации в течение нескольких дней при высокой влажности и температуре 30 °С происходит частичный гидролиз крахмала под действием ферментов гриба. Продукт (коджи) смешивают с распаренным рисом и засевают штаммом дрожжей (мото). Брожение продолжается в течение 20 дней при 25 °С, и к концу ферментации сакэ содержит не менее 20% спирта. Перед продажей концентрацию спирта доводят до 16% по объему, напиток фильтруют и пастеризуют.

Биотехнологическое производство пищевых продуктов

14

Пивоварение

ВВЕДЕНИЕ. Пиво – один из самых древних алкогольных напитков; в наши дни пиво не утратило своей популярности. Его получают из ячменного сусла с помощью пивных дрожжей (Saccharomyces cerevisiae). Объем мирового производства пива в 2004 г. достиг 1,6 млрд гектолитров (160 млн тонн). Основные страны-производители пива – Китай, США и Германия. В Германии с 1516 г. закон разрешал использовать в пивоварении только ячменный солод, хмель, воду и дрожжи, а для пшеничного пива – пшеничный солод. В других странах в качестве источника крахмала и ферментов наравне с ячменем и пшеницей служат и другие зерновые культуры (например, просо или сорго), а также допустимы некоторые добавки, в том числе ферменты. Современная технология пивоварения позволяет получать легкое пиво со сниженным содержанием алкоголя, а также безалкогольные сорта. В Германии на долю таких сортов приходится около 3% объема производства.

ПРОИЗВОДСТВО ПИВА. Прежде всего получают солод. Для этого ячмень инкубируют в определенных условиях до прорастания зерна. На этой (первой) стадии происходит активация ферментов; пророщенное зерно сушат. Затем солод затирают – нагревают и выдерживают при строго определенной температуре: при этом происходит частичный гидролиз белков и углеводов, катализируемый ферментами. Полученный водный экстракт, называемый пивным суслом, кипятят около 2 часов, добавляя в него хмель, который придает пиву характерный горьковатый вкус, а содержащиеся в хмеле дубильные вещества служат в качестве консервирующих агентов и облегчают фильтрацию. При кипячении пивное сусло в значительной степени концентрируется, затем в пивное сусло вносят клетки определенного штамма дрожжей и культивируют сначала в аэробных, а затем в анаэробных условиях

втечение нескольких дней. Дрожжи превращают сахара

вспирт и углекислый газ. В зависимости от выбранной технологии в конце ферментации содержание спирта составляет 2–18% объема сусла. Для окончательного созревания пиво выдерживают при температуре около 0 °С от нескольких дней до нескольких недель. При этом осаждаются вещества, вызывающие помутнение пива, а неприятный привкус, обусловленный образованием диацетила, исчезает в результате разложения диацетила на ацетоин и 2,3-бутандиол. Использование на дальнейших стадиях различных добавок, в том числе ферментов, значительно влияет на вкусовые качества пива. После фильтрации пиво, предназначенное для продажи на экспорт, пастеризуют.

СОРТА ПИВА. Известно несколько вариантов классификации сортов пива: в зависимости от использованной культуры дрожжей выделяют сорта низового (лагер, пилзнер) и верхового брожения (вайс, альт, кельш, портер, эль и стаут). По исходному содержанию сусла,

то есть «экстрактивности начального сусла» разделяют сорта с содержанием более 16%, 11–14%, 7–8% и 2–5,5%. Сорта пива различаются а) по составу сырья и степени очистки конечного продукта; б) по используемым дрожжевым культурам: либо это дрожжи, осуществляющие «верховое» брожение, которые в процессе ферментации остаются во взвешенном состоянии и не сбраживают дисахарид мелибиозу, либо дрожжи, осуществляющие «низовое» брожение, которые оседают на дно и обладают способностью сбраживать мелибиозу; в) по режиму ферментации (время и температура) и последующего выдерживания.

ПИВО С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЛКОГОЛЯ И БЕЗАЛКОГОЛЬНОЕ ПИВО. Для производства таких сортов пива разработаны два технологических подхода: 1) экстрактивность начального сусла составляет 7–8%, и процесс сбраживания останавливают, когда содержание алкоголя достигнет 0,5%; 2) из обычного пива с экстрактивностью начального сусла 12–13% удаляют спирт путем вакуумного выпаривания или специального фильтрования. В настоящее время ведется разработка биореактора с иммобилизованными дрожжевыми клетками, в котором процесс останавливается автоматически при содержании алкоголя 0,5%.

НОВОЕ В БИОТЕХНОЛОГИИ ПИВОВАРЕНИЯ. Современная биотехнология пивоварения развивается по следующим направлениям: а) получение трансгенного ячменя с ферментами, обладающими улучшенными свойствами, например с термостабильной β-глюкана- зой; б) применение молочнокислых бактерий в качестве стартовой культуры для сбраживания солода с целью предотвратить заражение солода грибами рода Fusarium и другими микроорганизмами; в) сокращение времени выдерживания пива, необходимого для разложения диацетилов, посредством добавления бактериальной α-ацетолактатдекарбоксилазы – фермента, который переводит α-ацетолактат непосредственно в ацетат, минуя стадию образования диацетилов; г) использование рекомбинантных штаммов S. cerevisiae, синтезирующих α-ацетолактатдекарбок- силазу или амилазы. При ферментации, осуществляемой такими штаммами, становится возможным получать сорта пива с низким содержанием углеводов. Технологический процесс пивоварения также непрерывно совершенствуется: так, продолжительный этап созревания пива, необходимый для приобретения им специфических вкусовых качеств, в современном производстве заменен кратковременным нагреванием до 90 °С и последующим созреванием в биореакторе с иммобилизованными дрожжевыми клетками на протяжении всего двух часов.