CC BY
88
УДК 663.4(045)
DOI: 10.24411/0235-2486-2019-10199
Барьерная технология в пивоварении
Т.Н. Волкова*, канд. биол. наук; К.В. Кобелев, д-р техн. наук; И.В. Селина; М.С. Созинова
ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Москва
Дата поступления в редакцию 07.10.2019 Дата принятия в печать 28.12.2019
* [email protected] © Волкова Т.Н., Кобелев К.В., Селина И.В., Созинова М.С., 2019
Реферат
Современная пищевая индустрия столкнулась с дилеммой: с одной стороны, требуются продукты и напитки с большими сроками годности и безопасные, а с другой стороны, потребитель отдает предпочтение продуктам, подвергшимся минимальной переработке и не содержащим химических консервантов. В связи с такими предпочтениями потребителя в пищевой промышленности растет интерес к новой концепции минимальной переработки продукта («минимального процессин-га»), а также к использованию микробных метаболитов в качестве биопротекторов, замещающих сегодняшние консерванты. Концепция барьерной технологии применяет минимальный процессинг, который становится возможным благодаря возникновению синергетического эффекта от взаимодействия различных «барьеров», то есть способов предохранения продукта, как новых, так и традиционных. Комбинация барьеров дает многоцелевой ингибирующий эффект, мягкий, но достаточный. Ингредиенты, которые входят в состав пивоваренного сырья, можно использовать для создания дополнительных защитных микробиологических барьеров. Это молочнокислые бактерии (МКБ), действующие как защитная стартовая культура в соложении, а также продуцируемые ими бактериоцины и антифунгальные соединения. Биохимические барьеры, создаваемые молочной кислотой и соединениями хмеля, могут быть скомбинированы с физическими барьерами - пастеризацией, фильтрацией и асептическим розливом, уже используемыми в пивоварении. Определенные сочетания антимикробных барьеров могут обладать синергетическим эффектом, и тогда отдельный барьер может использоваться с меньшей интенсивностью, чем в случае, когда он применяется один. В настоящем обзоре рассматриваются данные о применении низина в пивоварении и виноделии в составе мультибарьерной технологии. Бактериоцин низин класса 1А принят и широко используется более чем в 48 странах в качестве биоконсерванта в различных видах пищевых продуктов. Он эффективен против более чем 90% грамположительных бактерий, портящих пиво, не действует на пивоваренные дрожжи Saccharomyces и не сказывается отрицательно на органолептических свойствах пива. Поэтому его применение в пивоваренной промышленности считается весьма привлекательным.
Ключевые слова
бактериоцины, барьерная технология, микробиологическая стойкость пива, молочнокислые бактерии, натуральные консерванты, низин, порча пива, сохранение продукта, технология многоцелевого удара
Для цитирования
Волкова Т.Н., Кобелев К.В., Селина И.В., Созинова М.С. (2019) Барьерная технология в пивоварении // Пищевая промышленность. 2019. № 12. С. 44-50.
T.N. Volkova*, Candidate of Biological Sciences; K.V. Kobelev, Doctor of Technical Sciences; I.V. Selina; M.S. Sozinova All-Russian Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industries - Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of RAS, Moscow
Modern food industries face a dilemma because there is a demand for long shelf-life and safety of foods and beverages but consumer preferences are veering towards products which are minimally processed and free from chemical preservatives. As a result of consumer concerns, there has been an increasing interest in novel approaches to minimal processing and the exploitation of microbial metabolites as biopreservatives for food and beverages instead of today's preservatives. The hurdle concept applies a minimal processing approach that exploits synergistic interactions between various preservation treatments, both novel and traditional. It combines different preservation factors or «hurdles» to achieve multitarget, mild but reliable preservation effects. The components of beer that are natural to beer raw materials could be manipulated to form additional hurdles within the malting and brewing processes. Lactic acid bacteria (LAB) acting as protective malt starter cultures, bacteriocins and antifungal compounds produced by LAB could be exploited to form microbially derived hurdles. Biochemical hurdles of lactic acid and hop compounds can be combined with the physical hurdles of pasteurisation, filtration and aseptic filling already used within the brewing process. Some combinations of antimicrobial hurdles have a synergistic effect and an individual hurdle may be set at a lower intensity compared to that required if a single hurdle was used as the preservative. This review highlighted the potential application of nisin in beer fermentation and wine making within multihurdle technology. Bacteriocin nisin class I A is widely accepted and used in more than 48 countries as a bio-preservative in different types of food products. It is effective against more than 90% of all beer spoilage Grampositive bacteria, does not affect the fermentation with Saccharomyces yeasts, and it does not have any negative impacts on the sensory of beer. Hence, its application in the brewing industry considered to be very attractive.
Key words
food preservation, microbiological stability of beer, spoilage of beer, hurdle technology, multytarget technology, natural preservatives, lactic acid bacteria, bacteriocins, nisin
For citation
Volkova T.N., KobelevK.V., Selina I.V., Sozinova M.S. (2019) Hurdle technology in brewing industry // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2019. No. 12. P. 44-50.
Hurdle technology in brewing industry
Received: October 7, 2019 Accepted: December 28, 2019
* [email protected] © Volkova T.N., Kobelev K.V., Selina I.V., Sozinova M.S., 2019
Abstract
Введение. В области пивоварения последние несколько десятилетий были потрачены на создание напитков,безопасных для здоровья потребителя, со стабильными свойствами и повышенными сроками хранения. Эти задачи были успешно решены. В настоящее время заводы производят пиво высокого качества, со сроками годности до 6-12 месяцев и более. Цели были достигнуты за счет улучшения санитарного состояния производства, включая множество технологических нюансов (режимы пастеризации, режимы мойки и стерилизации оборудования, процессы обеззараживания конечного продукта, детальное изучение микроорганизмов -вредителей пивоварения и др.).
Однако вскоре стало ясно, что потребителя перестал устраивать стандартный, стабильный вкус напитка - потребитель хотел «свежести» и большего разнообразия, смущало также отрицательное воздействие на органолептические характеристики пива термообработки и применения консервантов.
Новые требования потребителя отчасти были удовлетворены с развитием крафто-вого пивоварения. Одновременно велись поиски новых методов обеззараживания напитка, не связанных с нагреванием и не включающих химические консерванты. Для решения этих новых задач была также привлечена теория барьерной технологии, призванная минимизировать процессы обработки продукта, то есть обеспечить «минимальный процессинг».
Идея «технологии барьеров», или «барьерной технологии», принадлежит Лотару Лейстнеру, директору и профессору Федерального исследовательского центра мясной индустрии (Кульмбах, Германия) [1, 2] и впервые была им сформулирована в 1978 г. В дальнейшем Лейстнер и его последователи во многих странах опубликовали большое число капитальных работ, разъясняющих принципы применения барьерной технологии в различных отраслях пищевой промышленности, в том числе в производстве напитков и в пивоварении [2-8].
Барьерная технология - концепция, которая должна обеспечить отсутствие микроорганизмов порчи и патогенных микроорганизмов в пищевых продуктах при минимальной их обработке, что позволит сохранить питательные и вкусо-ароматические свойства предельно близкими к исходному свежему продукту. Барьерная технология работает при комбинировании более чем одного фактора. Эти факторы можно себе представить как препятствия, «барьеры», которые возводят перед патогенными микроорганизмами и микроорганизмами-вредителями, чтобы предотвратить их размножение в продукте (см. рисунок). Правильное комбинирование барьеров дает аддитивный или даже синергетический эффект и может обеспечить полное удаление или обезвреживание вредителей и патогенных бактерий в конечном продукте при минимальных значениях барьеров и в рамках экономической целесообразности [1, 2].
Результаты исследования. Для сохранения продуктов в качественном
и безопасном для здоровья потребителя состоянии традиционно использовали такие процессы, как нагревание, охлаждение, замораживание, высушивание, внесение консервантов, высокие концентрации соли или сахара, под-кисление, удаление кислорода, сбраживание. Все эти методы базируются на сравнительно небольшом числе параметров (факторов), которые, по терминологии Лейстнера, могут быть отнесены к «барьерам»: высокая температура, низкая температура, активность воды (ащ), подкисление (рН), окислительно-восстановительный потенциал (ЕИ), конкурентная микрофлора и консерванты. Был введен количественный подход для характеристики и оценки этих факторов, то есть выражение в определенных единицах. В своей первой модели Лейстнер рассматривал семь таких барьеров (табл. 1) [2] и разбирал случаи разных их сочетаний.
В 2009 г. Лейстнер говорил уже о 60 потенциально существующих видах барьеров и не считал это пределом [2].
Барьеры могут применяться последовательно, как серии технологических стадий, или синхронно, например, одновременным установлением для продукта
определенных значении активности воды и кислотности.
Потенциальные барьеры, используемые для предохранения пищевых продуктов различной природы, достаточно условно разделяют на физические, физико-химические и микробиологического происхождения (табл. 2) [3, 4, 6]. Применяемые барьеры могут выглядеть как «процессы» или как «добавки» [2].
Подробная характеристика барьеров, в том числе новых, недавно предложенных, содержится в многочисленных обзорах [3-8].
Требование потребителя получать высококачественные пищевые продукты, имеющие характеристики «свежих» и «натуральных», привело к появлению «мягких» технологий. Возникло новое направление -«технология минимальной обработки» («Minimal processing technology») [3].
Механизм действия барьеров может быть сформулирован в общем виде как метаболическое и энергетическое истощение бактериальных клеток, так как каждый применяемый барьер требует от них затраты энергии на сохранение гомеостаза, то есть на поддержание внутриклеточных параметров: рН, Eh, aw, осмотического давления, удаления
Патогенные бактерии не могут выжить в пиве благодаря антимикробным «барьерам», включающим кипящее сусло, хмелевые горькие кислоты, низкий рН, этанол, СО2 и отсутствие питательных веществ и кислорода, изображенное в виде пустоши на заднем плане (из работы Menz)
Таблица 1 Основные барьеры, применяемые для сохранения продуктов
Параметр Применение
Высокая температура Нагревание
Низкая температура Охлаждение, замораживание
Пониженная активность воды, ат Высушивание, высокая концентрация соли или сахара
Повышенная кислотность, рН Добавление или образование кислоты
Пониженный о /в потенциал, ЕИ Удаление кислорода или добавление аскорбата
Биологические консерванты Конкурентная микрофлора, например ферментация
Другие консерванты Сорбаты, сульфаты, нитриты
Типы барьеров, применяемых для сохранения продуктов
Таблица 2
Тип барьера
Примеры
Физическим
Физико-химический
Микробиологический
Асептическая упаковка, электромагнитная энергия (микроволны, радиочастоты, пульсирующие магнитные поля, высоковольтные электрические поля), высокие температуры (бланширование, пастеризация, стерилизация, выпаривание, экструзия, выпечка, поджаривание), ионизирующая радиация, низкие температуры (охлаждение, замораживание), модифицированная атмосфера, упаковочные пленки (включающие активную упаковку, съедобные покрытия), фотодинамическая инактивация, сверхвысокое давление, ультразвук, УФ-облучение
С02, этанол, молочная кислота, лактопероксидаза, низкий рН, низкий о /в потенциал Е1"1, низкая активность воды aw, продукты реакции Майяра, органические кислоты, кислород, озон, фенолы, фосфаты, соль, копчение, нитраты/нитриты натрия, сульфит натрия или калия, специи и травы, поверхностно-активные соединения, монолаурин, свободные жирные кислоты, хитозан, хлор
Антибиотики, бактериоцины, конкурентная микрофлора, защитные культуры
Виды бактерий, дрожжей и плесневых грибов, встречающихся
производства пива
Таблица 3 на основных стадиях
Стадия производства
Бактерии
Дрожжи
Грибы
Зерно солода
Затор/Фильтрат
Bacillus
Flavobacterium
Alcaligenes
Pseudomonas
Enterobacteriaceae
Actinomycetales
Lactobacillus
Acetobacteriaceae
Candida
Debaryomyces
Hansenula
Rhodotorula
Sporobolomyces
Trichosporon
Penicillium
Aspergillus
Alternaria
Fusarium
Epicoccum
Cladosporium
Botrytis
Aureobasidium Absidia
Кипячение сусла Отсутствие микроорганизмов (стерильно)
Сусло охлажденное Enterobacteriaceae Kloeckera apiculata
Задаточные дрожжи Obesumbacterium c,_„„,,,„„„ Rhemella quatilis Saccharomyces
Брожение Lactobacillus Pediococcus
созревание пива
Розлив готового пива
разливочные линии для кегов
Selenomonas
Micrococcus
Zymomonas
Acetobacter
Gluconobacter
Lactobacillus
Pediococcus
Pectinatus
Megasphaera
Zymophilus
Acetobacter Gluconobacter
Saccharomyces Hansenula Pichia Hanseniaspora Torulopsis
Schizosaccharomyces
Brettanomyces
Candida
Saccharomyces Hansenula Pichia Candida
Penicillium Aspergillus
токсических продуктов из клетки и т.д. Для эффективного применения барьерной технологии были привлечены знания физиологии процессов размножения, выживания и гибели микроорганизмов. Все это позволило ввести инновационную концепцию сохранения продукта за счет многофакторного воздействия («multitarget approach») на микробную клетку, то есть удара одновременно по нескольким важным мишеням внутри микробной клетки - ДНК, клеточным мембранам, ферментным системам, протонному градиенту, рН, Eh, aw и т.д. - с помощью факторов (барьеров), принадлежащих к разным целевым классам. Концепция защиты продукта с помощью многофакторного воздействия на микробную клетку в настоящее время признается краеугольным камнем в проблеме сохранения пищевых продуктов и пищевой безопасности [1-8].
Сегодня в качестве новых барьеров предлагаются физические нетермические процессы - высокое гидростатическое давление, пульсирующие магнитные поля, пульсирующие электрические поля, пульсирующий свет, озонирование, обработка радиочастотными и микроволновыми источниками и др. [8]. Все они оказались более эффективными, когда применялись в комбинации с традиционными барьерами [3, 6-8].
Другая группа барьеров, привлекающих сейчас внимание, - это «натуральные консерванты» (специи и экстракты из них, лизозим, хитозан, низин, сакацин, гидро-лизат пектина и др.). В большинстве стран эти «зеленые консерванты» предпочтительны, так как они не являются химически синтезированными [6, 7].
В последние десятилетия критические для гибели, выживания или размножения микроорганизмов значения многих
консервирующих факторов уже определены и сейчас составляют базовые знания в области сохранения пищевых продуктов. Однако следует учитывать, что критическое значение конкретного параметра меняется, если в продукте присутствует дополнительный защитный фактор. Одновременный эффект различных предохраняющих факторов (барьеров) может быть аддитивным или даже синергетическим. Предиктив-ная (предсказательная, прогнозная) микробиология должна быть включена в барьерную технологию для выбора, модификации и оптимизации барьеров в технологии обработки. в совокупности этот подход был назван «умной барьерной технологией» («Intelligent hurdle technology») [1].
Барьерная технология уже доказала свою успешность. Она эффективна также и с точки зрения экономики, так как при ее применении требуется меньше энергии как в процессе производства, так и при хранении продуктов. В индустриально развитых странах барьерная технология широко используется для производства продуктов с минимальной обработкой и повышенным качеством. В развивающихся странах наибольший интерес она вызывает в сфере производства продуктов, пригодных для хранения при комнатной температуре, что позволяет отказаться от холодильного оборудования [1, 6-8].
Барьерная технология в пивоварении
Пиво считается микробиологически стабильным напитком [9] и безопасным в отношении патогенной микрофлоры [10]. Тем не менее процесс пивоварения не является асептическим, и полностью исключить попадание микроорганизмов-вредителей с сырьем и из окружающей среды технически невозможно. Микробная контаминация может происходить на разных стадиях производства пива благодаря богатому нутриентами суслу, обогащенному ростовыми факторами, образуемыми дрожжами. Список микроорганизмов, способных расти в сусле и пиве, ограничивается сравнительно небольшим количеством видов (табл. 3) [11-14].
Наиболее частая причина микробиологической контаминации в сегодняшней пивоваренной индустрии - это грампо-ложительные бактерии. Согласно статистическим данным, собранным за период 2010-2013 гг. (Исследовательский Центр пивоварения в Вайнштефане при Техническом университете Мюнхена), два рода грамположительных бактерий чаще всего вызывают порчу пива: Lactobacillus и Pediococcus. Наиболее опасная бактерия в пиве - это Lactobacillus brevis, являющаяся причиной контаминации в 42,0-52,5% случаев из всех изученных [15].
Отсутствие кислорода является одним из главных факторов подавления микрофлоры, способной расти в ходе производства и хранения пива. Однако и ряд других показателей также важен для предотвращения порчи [5, 14, 16]. В табл. 4 суммированы главные объекты и механизмы действия ряда барьеров,
Таблица 4
Внутренние и внешние (технологические) антимикробные барьеры в пиве
Антимикробные барьеры Объекты воздействия Механизмы ингибирования микроорганизмов
Внутренние барьеры
Этанол Все патогены Ингибирует функции клеточной мембраны
Низкий рН Все патогены Воздействует на ферменты и пермеа-зы (утилизация нутриентов), усиливает ингибирующий эффект хмеля
Хмель Грамположительные бактерии Ингибирует функции клеточной мембраны
СО2 Аэробные патогены Создает анаэробные условия, снижает рН, ингибирует ферменты, воздействует на клеточные мембраны
Низкий уровень О2 Аэробные патогены, гра-мотрицательные бактерии Создаются анаэробные условия
Истощение нутриентов Все патогены Голодание клеток
SO2* Грамотрицательные бактерии Поражаются различные метаболические системы
Внешние (технологические) барьеры
Затирание Грамотрицательные бактерии Вызывает термальную деструкцию клеток
Кипячение сусла Все патогены Вызывает термальную деструкцию клеток
Пастеризация* Все патогены Вызывает термальную деструкцию клеток
Фильтрация* Все патогены Физическое удаление клеток, превышающих определенный размер
Вторичная ферментация (дображивание в бутылке) за счет Аэробные бактерии Создает анаэробные условия
снижения содерж. 02*
*Не для всех типов пива
избавляющих от патогенных микроорганизмов в пиве. Важно отметить, что те же факторы работают и для уничтожения микроорганизмов порчи пива [5].
Хороший пример использования барьерной технологии в истории пивоварения -случай с индийским светлым элем [5]. В конце 1700-х гг. эли, доставляемые в Индию для британских войск, очень быстро портились за время длительной морской перевозки. Британские пивовары должны были повысить стабильность пива, и в начале 1800-х гг. эта цель была достигнута за счет увеличения содержания в пиве хмеля и этанола.
Применяя сочетание нескольких барьеров с пониженным уровнем воздействия, более низким, чем в случае использования какого-нибудь одного барьера, удается создать продукт с более приемлемыми органолептическими свойствами.
Антимикробные свойства присутствующих в сырье компонентов могут быть использованы для повышения микробиологической стабильности пива при одновременной минимизации процессов обеззараживания [12].
Молочнокислые бактерии, составляющие часть естественной микробиоты ячменя, сохраняются в ходе соложения и затирания и могут играть позитивную роль, осуществляя и биологическое подкисле-ние сусла, и уничтожение нежелательных микроорганизмов.
Другой натуральный компонент, который присутствует в пиве и ценится за свои антимикробные свойства, - это соединения хмеля. Хмель применяется,
по крайней мере, с 1516 г. (Германский закон чистоты, Reinheitsgebot) как стандартный ингредиент пива. Считалось, что помимо сообщаемого аромата и горечи хмель обеспечивает полную защиту пива от микробной контаминации. Исследования антимикробных свойств компонентов хмеля показали, что они ингибируют размножение грамположительных бактерий, но не грамотрицательных. Также было установлено, что МКБ-вредители пивоварения имеют механизмы адаптации к хмелевым компонентам, что позволяет им расти в пиве. Низкий рН повышает антибактериальную активность хмелевых кислот, тогда как при высоком рН они теряют активность. За ингибирование бактериального роста ответственна недис-социированная форма хмелевых кислот. Незначительные изменения рН пива вызывают сильные изменения в антибактериальной активности горьких хмелевых кислот. Возрастание рН на 0,2 может снизить защитный эффект хмелевых компонентов на 50% [12].
Молочнокислым бактериям (МКБ) присвоен статус GRAS («generally regarded as safe»), то есть они считаются безопасными. МКБ продуцируют ряд антимикробных соединений, известных как ингибиторы нежелательных патогенных бактерий и бактерий - вредителей пива. Эти антимикробные компоненты включают органические кислоты, перекись водорода, С02, а также низкомолекулярные соединения, называемые бактериоцинами.
Молочная кислота, главный продукт гомоферментативных МКБ, снижает рН.
В течение веков МКБ использовались в пивоварении. Например, при производстве пива «Ламбик» в Бельгии никогда не вносят дрожжи без добавки МКБ. В Германии подкисление сусла за счет МКБ широко применяется, так как это не противоречит Закону Чистоты [11, 12,
15].
Для подкисления сусла обычно применяют умеренно-термофильные, гомофер-ментативные, не вызывающие порчи пива лактобациллы - Lactobacillus delbrueckii или Lactobacillus amylovorus при 48 °С. Эта температура предотвращает рост нежелательных микроорганизмов.
Положительный эффект биологического подкисления - увеличение сроков стойкости пива и приобретение им характерного освежающего вкуса и аромата (например, как у «Берлинского Пшеничного»). Отрицательные моменты: сусло приходится кипятить несколько дольше, чтобы удалить нежелательные ароматические компоненты - диметилсульфид (ДМС) и его предшественников; кроме того, надо вносить больше хмеля, чтобы достигнуть требуемого уровня горечи в пиве. однако положительные эффекты биологического подкисления намного превышают отрицательные [12].
Консервирующий эффект МКБ обеспечивается не только конечными продуктами их ферментативной активности в виде молочной кислоты, но также образованием ингибиторных пептидов, называемых бактериоцинами.
Бактериоцины представляют собой синтезируемые в рибосомах экстрацеллю-лярные короткие пептиды или пептидные комплексы с молекулярной массой от 2 до 35 кДа, оказывающие бактерицидное или бактериостатическое действие на другие штаммы того же вида или близкородственные виды [12, 15, 17]. Почти все известные бактерии способны синтезировать бактериоцины. Клетки-продуценты защищают себя от действия бактериоци-нов с помощью соответствующих иммунных протеинов.
Бактериоцины отличаются от терапевтических антибиотиков тем, что продуцируются бактериями, а не актиномицетами, имеют протеиновую природу и специфическую область действия. Бактериоцины в специальной литературе обычно упоминаются как антимикробные препараты, а не как антибиотики. В отличие от антибиотиков бактериоцины полностью расщепляются в организме, и вероятность возникновения от них осложнений минимальна, в то время как применение антибиотиков имеет для человека отрицательные последствия.
Бактериоцины вызывают повышенный интерес в пищевой промышленности благодаря своей способности ингибировать рост бактерий-вредителей и патогенных бактерий и при этом не изменять вкус продукта и не оставлять токсических последствий. Более того, бактериоцины, являясь полипептидами, быстро расщепляются протеазами (трипсином, пепсином и панкреатином) в пищеварительном тракте человека без побочных последствий и без негативного побочного воз-
Таблица 5 Защита продуктов и напитков с помощью бактериоцинпродуцирующих МКБ
Применение низина в мультибарьерной технологии
Таблица 6
Продукт
МКБ
Бактериоцин
Пиво
Вино
Закваска для теста
сыр
Мягкий сыр
Йогурт
Кефир
Мясо
Рыба
Lactobacillus spp Lactococcus lactis
BB 7/3 Низин
Lactococcus lactis rv
Lactobacillus sakei 5Х
Lactococcus lactis Сакацин 5Т
Lactobacillus plantarum Lactococcus lactis
Lactobacillus bavaricus
Lactococcus lactis Enterococcus spp. Lactobacillus plantarum Lactococcus lactis
Lactobacillus plantarum
Streptococcus thermophilus Lactobacillus acidophilus
Lactococcus lactis
Pediococcus
acidilactici
Lactobacillus sake
Carnobacterium
piscicola
Leuconostoc
gelidum
Carnobacterium piscicola Carnobacterium divergens Lactobacillus sake Lactobacillus laktis
M30
Плантарицин низин
Баварицин А
низин Энтероцин Педиоцин АсН Лактицин 3147
Педиоцин AcH
Термофилин 347
Лактацин В Лактицин 3147
Педиоцин AcH Сакацин А Писциколин LV17
Лейкоцин А
Писциколин V1 Диверцин V 41 Сакацин P низин
Молоко и молочные продукты
Птица и свинина
Говядина
Говяжие сардельки
Enterococcus spp. ^48°^
Lactobacillus sake Сакацин К Lactobacillus case/'Лактоцин 705 Peda^r Педиоцин АсН
Мультибарьерная технология Значительный бактерицидный эффект против микроорганизмов: Комментарии
Хелатные агенты (ЭДТА) +низин Грамотрицательные бактерии ЭДТА и другие хелатные агенты удаляют ионы Мд2+ и Са2+ из клеточных стенок грамотрицательных бактерий, позволяя выделяться фосфолипидам, что повышает проницаемость клеточной стенки
сублетальное нагревание (55-65 °С) + низин Грамотрицательные бактерии Бактерии и споры становятся более чувствительными к низину после тепловой обработки Низин повышает термическую инактивацию бактерий, сокращая время обработки, что приводит к улучшению качества продукта и возможному снижению стоимости
Гидростатическое давление(УВД) + низин Listeria monocytogenes Escherichia coli Salmonella typhimurium Поврежденные в результате такой обработки клетки становятся более чувствительны к низину Низин в комбинации с УВД проявляет большую антибактериальную эффективность, чем одно УВД
Пульсирующее электрическое поле (ПЭ) + низин Listeria monocytogenes Escherichia coli Salmonella typhimurium Низин в комбинации с ПЭ имеет большую антибактериальную эффективность, чем одно ЛЭ
Низин + лизоцим + цитрат Listeria monocytogenes Демонстрирует синергетический эффект и повышает эффективность низина
Низин + сорбат калия Listeria monocytogenes Демонстрирует синергетический эффект и повышает эффективность низина
Низин + лактопероксидаза Listeria monocytogenes Демонстрирует синергетический эффект и повышает эффективность низина
действия на кишечную микрофлору. Таким образом, они признаны безопасными для человека [15].
Случаи применения бактериоцинов в разных отраслях пищевой промышленности в качестве консервантов приведены в табл. 5 [12, 15].
Бактериоцины, продуцируемые МКБ, обычно ингибируют виды, филогенетически близкородственные продуцентам. Это их свойство особенно актуально для пивоваренной промышленности, где МКБ являются обычными и постоянными вредителями. При этом очень важно, чтобы сами применяемые бактериоцин-продуцирующие МКБ не могли размножаться в пиве и не были вредителями пивоварения.
Механизм действия бактериоцинов состоит в повреждении цитоплазматиче-ской мембраны бактериальных клеток-мишеней и образовании в ней пор. Это приводит к нарушению протонного градиента, истощению запасов АТФ и утечке ну-
триентов и метаболитов из поврежденных клеток. У разных бактериоцинов бывает разный по ширине спектр ингибирующего действия, у низина широкий спектр активности [12, 15].
Хотя бактериоцины термоустойчивы, они могут инактивироваться при кипячении сусла. Так как бактериоцины являются гидрофобными пептидами, они могут деградировать под действием протеаз. Бактериоцины могут действовать синерге-тически друг с другом или с другими антимикробными пептидами в определенных условиях [12].
Низин - единственный бактериоцин, применяемый коммерчески. Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) низину присвоена классификация GRAS («generally recognized as safe» -«общепризнан как безопасный»), и поэтому он нашел применение более чем в 50 странах (в том числе в РФ) в различных сферах пищевой промышленности. Впервые низин был использован как консервант в 1988 г. В настоящее время он широко применяется в хлебопекарной и кондитерской промышленности, при производстве мясных и овощных консервов, молочных продуктов (сыра, творога, сливочного масла, плавленых сыров и т. п.), в составе вин (как добавка, способствующая процессу созревания), в пивоварении [12, 15, 17]. В Европейской Директиве на пищевые добавки низин классифицирован как консервант Е234. В РФ его применение определено в СанПиН 2.3.2.1293-03 «Гигиенические требования по применению пищевых добавок». М.: 2003.
Низин нетоксичен. Будучи протеином, он полностью расщепляется в желудочно-кишечном тракте человека под действием ферментов.
Низин действует на грамположитель-ные бактерии, эффективен против спор Clostridium butiricum в сырах, не оказывает действия на грамотрицательные бактерии, дрожжи и плесени [15].
Цена его относительно высока, частично из-за высокой стоимости сложной питательной среды, на которой выращивают продуцент низина, - Lactococcus lactis subspec. lactis (прежнее название Streptococcus lactis).
Есть многочисленные примеры успешного применения низина в комбинации с другими факторами в составе мультибарьерной технологии (табл. 6) [15].
Пивоваренная промышленность имеет хорошо документированные сведения об эффективности низина против более чем 90 % грамположительных микроорганизмов-вредителей [15]. Низин (в составе препарата низаплина) испытывали против бактерий, часто инфициирую-щих семенные дрожжи Lactobacillus brevis и Sarcina flava, и получили положительные результаты [18]. Еще одно положительное свойство низина - он не влияет отрицательно ни на исходные характеристики пивоваренных дрожжей, ни на сенсорные свойства пива. Он стабилен в экстремальных условиях пивоварения: при высокой концентрации СО2, низком рН, низкой температуре хранения, высоких температурах пастеризации, выдерживает кипячение при 120 °С без потери активности.
Добавление низина в процессе пивоварения позволяет снизить температуру пастеризации и таким образом экономить энергию, а также уменьшить отрицательное воздействие высоких температур на органолептические показатели пива. Известно, что пастеризация вызывает нежелательные изменения в пиве:
Таблица 7
Потенциальные преимущества применения низина в пивоварении
Стадия внесения низина Комментарии
Соложение Добавление низина в замочную воду в ходе соложения может предотвратить рост бактерий, дрожжей и грибов, обычно присутствующих на зерне ячменя. Добавлением низина может быть предотвращено образование микотоксинов.
Сусло Добавление низина для предохранения холодного сусла от заражения: в сусло до кипячения; в сусло, в котором температура опустилась ниже 50 °С; низин может быть также добавлен в затор на последних этапах его приготовления. Низин снижает риск развития термофильных грамположительных бактерий, может также обеспечить защиту от инфекции на более поздних стадиях процесса пивоварения, так как более 30% активности исходного низина сохраняется в кипящем сусле в течение 60 мин.
Брожение Низин как гарантия предотвращения роста МКБ или как ингибитор размножения, если заражение уже произошло. В опытах, где низин добавляли в концентрациях 100 ед./мл к объему сусла, контаминированного МКБ в концентрации 105 клеток/мл, он был эффективен для подавления размножения МКБ. Присутствие низина не влияло на пивоваренные дрожжи: на общее число клеток, число живых клеток, их жизнеспособность и бродильную активность. Низин не адсорбируется и не метаболизируется пивоваренными дрожжами. Низин, добавленный на стадии брожения, присутствует в готовом пиве с тем же уровнем активности. Низин не оказывает отрицательного воздействия на вкус пива.
Дрожжи Добавление в семенные дрожжи для подавления инфекции грамположительными бактериями Контаминация семенных дрожжей - один из главных источников бактериальной инфекции в пивоварении. Так как низин не адсорбируется дрожжевыми клетками, дрожжи по окончании брожения могут быть сразу переданы и храниться в растворе низина без дополнительной обработки до следующего использования. Другой вариант - дрожжи перед засевом отделить от раствора низина, чтобы снизить его концентрацию в готовом пиве. Низин может заменить или дополнить стадию кислотной обработки контаминированных дрожжей, так как известно, что определенные штаммы Lactobacillus и Pediococcus способны сохраняться в процессе отмывки дрожжей, если применяется только одна кислота.
Мойка оборудования Раствор низина употребляется в качестве финального ополаскивания как часть полного цикла мойки. Большинство чувствительных к низину бактерий погибают в течение минуты после его внесения. Следует проявить осторожность, если перед этим используется каустик или щелочные моющие агенты, так как низин неэффективен при щелочных значениях рН.
Сокращение термического воздействия Низин должен добавляться перед процессом пастеризации. Низин термоустойчив и может способствовать экономии энергии, снижению затрат и риска термического повреждения вкуса пива за счет сокращения времени обработки и снижения температуры.
Микробиологическая стабильность пива Низин добавляется в непастеризованное бочковое пиво или в пиво, проходящее дображивание в бутылках, для повышения микробиологической стабильности и сроков годности.
денатурацию протеинов с последующим образованием танин-протеиновых комплексов; усиление красного оттенка пива за счет образования продуктов реакции Майяра; появление нежелательных «бумажных» оттенков в запахе пива в результате окисления; усиление горечи из-за изомеризации хмелевых а-кислот [19].
Предлагается применять низин на разных стадиях процесса. Получаемые при этом преимущества перечислены в табл. 7 [15]. Было показано, что чувствительные МКБ погибают через минуту после добавления низина. Низин можно применять на производстве, где не употребляют в системах мойки каустик или щелочные детергенты, так как при высоких значениях рН низин и слабо активен, и нестабилен. Низин более эффективен в комбинациях с другими методами (табл. 6). Использование мультибарьер-ной стратегии стимулировало расширение и инновации в применении низина. Его применение в пивоваренной индустрии кажется весьма привлекательным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Leistner, L. Principles and applications of hurdle technology [Electronic resource] // New Methods of Food Preservation (ed. G.W. Gould). - 1995. - P. 1-21. URL:.https: // books.goog1e.ru/books? id=6a_dbGRoiWIC&pri ntsec=frontcover&h1=ru#v=onepage&q&f=fa1se (Дата обращения: 12.09.2019)
2. Leistner, L. Hurdle technology [Electronic resource] // Food Engineering
(ed. G.V. Barbosa-Cánovas). - 2009. -Vol. III. - P. 311-328. URL: https: // www.eo1ss.net/ ebooklib/ebookcontents /E5-10-ThemeContents. pdf (Дата обращения: 12.09.19)
3. Minimal Processing Technologies in the Food Industries. 1st (ed. T. Ohlsson & N. Bengts-son) [Electronic resource]. - 2002. - 304 p. URL: https: //www.e1sevier.com/ books/ minmal-processing-techno1ogies-in-the-food-industries/ohlsson/978-1-85573-547-7 (Дата обращения: 12.09.19)
4. Alakomi, H. The hurdle concept [Electronic resource]/ H. Alakomi [et al.] // Minimal processing technology in the food industry. 1st (ed. T. Ohlsson, & N. Bengtsson). - 2002. - P. 175-195. URL: https://www. sciencedirect.com/ book/ 978185 5735477/ minimal-processing-techno1ogies-in-the-food-industries (Дата обращения: 12.09.19)
5. Menz, G. Pathogens in Beer [Electronic resource] / G. Menz, P. Aldred, F. Vriesekoop // Beer in Health and Disease Prevention (ed. V.R. Preedy). Academic Press. E1sevier Inc. - 2009. - P. 403-413. URL: http://www.1oscastro.org / marcelo/ brew/ Beer%20in%20Hea1th%20and%20Disease% 20Prevention%20-%20Victor%20Preedy.pdf (Дата обращения: 12.09.19)
6. Gongalves,A.A. Hurdle Technology in the food industry [Electronic resource]/A.A. Gonfa1ves, C.P. Kechinski, F.C. Olivera // Food Engineering (ed. B.C. Siegler). - 2011. - P. 147-210. URL: https://www.researchgate.net/ publication/ 267450703_Hurd1e_techno1ogy_in_the_food_ industry (Дата обращения: 12.09.19)
7. Anestis, S. The Hurdles Technology in Food Processing [Electronic resource]/S. Anestis, A. Labropoulos // NAFI 2014. International Food Congress. - Ku§ adasi (Turkey), 2014. - P. 138-148. URL: https:// www.academia.edu/9916733/ The_Hurd1es_ Techno1ogy_in_Food_Processing (Дата обращения: 12.09.19)
8. Khan, I. Hurdle technology: A novel approach for enhanced food quality and safety: a review [Electronic resource]/ I. Khan [et al.] // Food Control. - 2016. - P. 1-19. URL: https://www.researchgate.net / publication/ 309705901_Hurd1e_techno1ogy_A_nove1_ approach_for_enhanced_food_qua1ity_and_ safety-A_review (Дата обращения: 12.09.19)
9. Suzuki, K. 125th Anniversary Review: Microbio1ogica1 Instability of Beer caused by Spoi1age Bacteria [E1ectronic resource] // Journa1 of the Institute of Brewing. -2011. - Vo1. 117 (2). - P. 131-155. URL: https: //www.researchgate.net / pub1icatio n/ 228458665_125th_Anniversary_Review_ Microbio1ogica1_Instabi1ity_of_Beer_Caused_ by_Spoi1age_Bacteria (Дата обращения: 12.09.19)
10. Storgards, E. Process hygiene contro1 in beer production and dispensing. Acad. Diss. [E1ectronic resource] // Technica1 Research Centre of Fin1and, VTT. Espoo. - 2000. - 105 p. + app. 66 p. URL: https: //www.vtt.fi/inf/pdf /pub1ications/2000/P410.pdf (Дата обращения: 12.09.19)
11. Van Oevelen, D. Microbio1ogica1 aspects of spontaneous wort fermentation in the production of Lambic and Gueuze [E1ectronic resource]/ D. Van Oeve1en [et
a1.] Journal of the Institute of Brewing. -1977. - Vol. 83. - P. 356-360. URL: http:// on1ine1ibrary. wi1ey. com/ doi/ 10.1002/ j. 2050- 0416. 1977. tb03825.x/ epdf (Дата обращения: 12.09.19)
12. Vaughan,A. Enhancing the microbiological stability of malt and beer: a review [Electronic resource]/ A. Vaughan, T. O'Su11ivan, D. Van Sinderen // Journal of the Institute of Brewing. - 2005. - Vol. 111 (4). - P. 355371. URL: https://on1ine1ibrary. wi1ey.com/ doi/ abs / 10.1002/j.2050-0416.2005.tb00221.x (Дата обращения: 12.09.19)
13. Bokuiich, N. A. The Microbiology of Malting and Brewing [Electronic resource]/ N.A. Boku1ich, C. W. Bamforth // Microbiology and Molecular Biology Reviews. -2013. - Vol. 77 (2). - P. 157-172. URL: https: // mmbr.asm.org/content/77/2/157 (Дата обращения: 12.09.19)
14. Jespersen, L. Specific spoilage organisms in breweries and laboratory media for their detection [Electronic resource]/L. Jespersen, M. Jakobsen // International Journal of Food Microbiology. - 1996. - Vol. 33 (1). - P. 139155. URL: https: //www.sciencedirect.com/s cience/artic1e/pii/0168160596011543 (Дата обращения: 12.09.19)
15. Muiier-Auffermann, K. Nisin and its usage in breweries: a review and discussion [Electronic resource]/ K. Mu11er-Auffermann [et a1.] // Journal of the Institute of Brewing. - 2015. - Vol. 121. - P. 309-319. URL: https: //on1ine1ibrary.wi1ey.com/ doi/fu11/10.1002/jib. 233 (Дата обращения: 12.09.19)
16. Moretti, E. Deve1opment of guide1ines for microbio1ogica1 contro1 in microbrewery. Diss. PhD in Food Science [E1ectronic resource]. -University of Perugia, 2013. - 87 p. URL: http://amsdottorato.unibo.it / 587 2/1/ moretti_e1io_tesi. pdf (Дата обращения: 12.09.19)
17. Hiii, C. Bacteriocines: natura1 antimicrobia1s from microorganisms [E1ectronic resource] // New Methods of Food Preservation (ed. G.W. Gou1d). - 1995. - P. 22-40. URL: https: //books.goog1e.ru/books?id=6a_dbGRo iWIC&printsec=frontcover&h1=ru#v=onepage&q &f=fa1se (Дата обращения: 12.09.19.)
18. Филимонова, Т.И. Изучение действия низина на бактерии-вредители пивоваренного производства/Т.И. Филимонова, О.А. Бо-рисенко // Пиво и напитки. - 2013. - № 2. -С. 26-27.
19. Franchi, M. A. The effect of antimicrobia1s and bacteriocins on beer spoi1age microorganisms [E1ectronic resource]/ M. A. Franchi, A. A. Tribst, M. Cristianini // Internationa1 Food Research Journa1. - 2012. - Vo1. 19 (2). - P. 783-786. URL: http://www.ifrj.upm.edu.my/19%20 (02) %202012/(63) IFRJ-2012%20A11ine%20Brazi1. pdf (Дата обращения: 12.09.19)
REFERENCES
1. Leistner L. Principles and applications of hurdle technology. New Methods of Food Preservation. Gould GW (Ed.). 1995. P. 1-21. URL: https: //books.google.ru/books? id=6a_d bGRoiWIC&printsec=frontcover&h1=ru#v=onep age&q&f=fa1se (Accessed: 12.09.19)
2. Leistner L. Hurdle technology. Food Engineering (ed. by G.V. Barbosa-Cánovas). 2009. Vol. III. P. 311-328 (Accessed: 12.09.19)
3. Minimal Processing Technologies in the Food Industries. 1st (ed. Ohlsson T. & Bengtsson N.). 2002. 304 p. URL: https: //www.e1sevier.com / books / minmal-processing-techno1ogies-in-the-food-industries/ ohlsson/ 978-1-85 5 73-547-7 (Accessed: 12.09.19)
4. Alakomi H, Skytta E, Helander I, Ahvenainen R. The hurdle concept. Minimal processing technology in the food industry. 1st (ed. Ohlsson T, & Bengtsson N). 2002. P. 175-195. URL: https://www.sciencedirect.com / book/ 9781855735477/ minimal-processing-techno1ogies-in-the-food-industries (Accessed: 12.09.19)
5. Menz G, Aldred P, Vriesekoop F. Pathogens in Beer // Beer in Health and Disease Prevention (ed. V. R. Preedy). 2009. P. 403-413. URL: http://www.1oscastro.org / marcelo/ brew/ Beer%20in%20Hea1th%20and%20Disease% 20Prevention%20-%20Victor%20Preedy. pdf (Accessed: 12.09.19)
6. Gonfa1ves AA, Kechinski CP, O1ivera FC. Hurd1e Techno1ogy in the food industry. Food Engineering (ed. B.C. Sieg1er). 2011. P. 147210. URL: https: // www. researchgate. net/ p ub1ication/ 267450703_ Hurd1e_ techno1ogy_ in_ the_ food_ industry (Accessed: 12.09.19)
7. Anestis S, Labropou1os A. The Hurd1esb Techno1ogy in Food Processing. NAFI 2014. Internationa1 Food Congress. Ku§ adasi (Turke), 2014. P. 138-148. URL: https: // www.academia.edu/ 9916733/ The_Hurd1es_ Techno1ogy_in_Food_Processing (Accessed: 12.09.19)
8. Khan I, Char1es Nkufi Tango, Sumaira Miskeen, Byong H Lee, Deog-Hwan Oh. Hurd1e techno1ogy: a nove1 approach for enhanced food qua1ity and safety: a review. Food Contro1. 2016. P. 1-19. URL: https: //www.researchgate.net / pub1ication/ 309705901_Hurd1e_techno1ogy_ A_nove1_ approach_for_enhanced_food_ qua1ity_and_ safety-A_review (Accessed: 12.09.19)
9. Suzuki K. 125th Anniversary Review: microbio1ogica1 Instability of Beer caused by Spoi1age Bacteria. Journal of the Institute of Brewing. 2011. Vo1. 117 (2). P. 131-155. URL: https: //www.researchgate.net/pub1icat ion/228458665_125th_Anniversary_Review_ Microbio1ogica1_Instabi1ity_of_Beer_Caused_ by_Spoi1age_Bacteria (Accessed: 12.09.19)
10. Storgárds E. Process hygiene contro1 in beer production and dispensing. Acad. Diss.
Technical Research Centre of Finland, VTT. Espoo, 2000, 105 p. + app. 66 p. URL: https: // www.vtt.fi/inf/pdf/pub1ications/2000/P410. pdf(Accessed: 12.09.19)
11. Van Oevelen D, Spaepen M, Timmermans P, Verachtert H. Microbiological aspects of spontaneous wort fermentation in the production of Lambic and Gueuze. Journal of the Institute of Brewing. 1977. Vol. 83. P. 356-360. URL: http://onlinelibrary.wiley.com/ doi/ 10.1002/j. 2050-0416.1977.tb03825. x/epdf. (Accessed: 12.09.19)
12. Vaughan A, O'Sullivan T, Van Sinderen D. Enhancing the microbiological stability of malt and beer: a Review. Journal of the Institute of Brewing. 2005. Vol. 111 (4). P. 355-371. URL: https: // onlinelibrary.wiley.com/doi/ abs /10.1002/j. 2050-0416.2005.tb00221.x (Accessed: 12.09.19)
13. Bokulich NA, Bamforth CW. The Microbiology of Malting and Brewing. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2013. Vol. 77 (2). P. 157-172. URL: https: // mmbr.asm.org/content/77/2/157 (Accessed: 12.09.19)
14. Jespersen L, Jakobsen M. Specific spoilage organisms in breweries and laboratory media for their detection. International Journal of Food Microbiology. 1996. Vol. 33 (1). P. 139-155. URL: https: //www.sciencedirect.com/scienc e/artic1e/pii/0168160596011543 (Accessed: 12.09.19)
15. Mu11er-Auffermann K, Grijalva F, Jacob F, Hutzler M. Nisin and its usage in breweries: a review and discussion // Journal of the Institute of Brewing. 2015. Vol. 121. P. 309-319. URL: https: //onlinelibrary.wiley.com/doi/ f u11/10.1002/jib. 233 (Accessed: 12.09.19)
16. Moretti E. Development of guidelines for microbiological control in microbrewery. Diss. PhD in Food Science. University of Perugia, 2013. 87 p. URL: http://amsdottorato.unibo.it / 5872/ 1 / moretti_e1io_tesi.pdf (Accessed: 12.09.19)
17. Hill, C. Bacteriocines: natural antimicrobials from microorganisms. New Methods of Food Preservation (ed. G.W. Gould). 1995. P. 22-40. URL: https: // books.google.ru/books? id=6a_dbGRoiWIC&pri ntsec=frontcover&h1=ru#v=onepage&q&f=fa1se (Accessed 12.09.19)
18. Fi1imonova TI, Borisenko OA. Isuchenie deistvija nisina na bakterii-vredite1i pivovarennogo proisvodstva [Study of nisin action on spoilage bacteria in brewery]. Pivo i napitki [Beer and Beveriges]. 2013. No. 2. P. 26-27 (In Russ.).
19. Franchi MA, Tribst AA, Cristianini M. The effect of antimicrobia1s and bacteriocins on beer spoi1age microorganisms. International Food Research Journal. 2012. No. 19 (2). P. 783786. URL: http://www.ifrj.upm.edu.my/19%20 (02) %202012/(63) IFRJ-2012%20A11ine%20 Brazi1. pdf (Accessed: 12.09.19)
Авторы
Волкова Татьяна Николаевна, канд. биол. наук, Кобелев Константин Викторович, д-р техн. наук, Селина Ирина Васильевна, Созинова Марина Сергеевна
Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 119021, Москва, ул. Рос-солимо, д. 7, tatyana. [email protected], к. [email protected], [email protected], [email protected]
Authors
Tatyana N. Volkova, Candidate of Biological Sciences, Konstantin V. Kobelev, Doctor of Technical Sciences, Irina V. Selina, Marina S. Sozinova
All-Russian Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industries -Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of RAS, 7, Rossolimo str., Moscow, 119021, tatyana. [email protected], k. [email protected], [email protected], [email protected]
