CC BY
102
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Дрожжевые технологии
в производстве продуктов питания
К.А. Лыско, В.Р. Шамсутдинова, Е.В. Ганькина, Е.Г. Борисенко
Московский государственный университет пищевых производств
Проблема полноценной и здоровой пищи всегда была одной из самых важных у человека. В настоящее время в России в результате разрушения сельского хозяйства, и прежде всего животноводства, достаточно острыми стали проблемы дефицита незаменимых аминокислот, витаминов, микроэлементов и дисбиотические нарушения ЖКТ. Так, по данным ГУ НИИ питания РАМН, у 80-90 % обследуемых выявляется дефицит аскорбиновой кислоты, у 40-60 % населения снижены уровень витаминов В,, В2, В6, фоли-евой кислоты, около 60 % населения испытывают дефицит каротина. У большинства населения выявлен недостаток кальция, железа, селена, йода, фтора, цинка и пищевых волокон [1]. В условиях сложной экологической и социально-экономической ситуации, ухудшения качества питания актуаль-
Дрожжи-продуценты биомассы —
Твердофазная
питательная среда ^=50-60 %), время культивирования 24-48 ч, температура 30 °С, периодическое перемешивание
Исходное сырье для биоконверсии Зерно Мелкодисперсные фракции зерна и солода Шелушенное, дробленое зерно, зерновой солод
Листья и стебли растений Твердофазные выжимки Отвары, экстракты растений
Клубни, корнеплоды, плоды, овощи и т. п. Твердофазные выжимки Соки, отвары, экстракты
Вода, минеральные вещества, жидкие отходы переработки животного сырья (молока)
Полужидкая
гетерогенная
питательная среда ^=70-80 %), время культивирования 18-24 ч, температура 30 °С, аэрация, перемешивание
Твердофазная ферм^тация
Корм для сельскохозяйственных животных
V
Продукты животноводства
_Дрожжевая_ культура
^ Глубинная ферментация
Жидкая фракция
Высушенная (наполнитель для медикаментов-антибиотиков)
V ,
Человек'
Дрожжевые продукты в рационе человека и животных
ным является разработка и внедрение в производство функциональных пищевых продуктов, которые содержат ингредиенты, приносящие пользу здоровью человека, повышающие его сопротивляемость заболеваниям, способные улучшить многие физиологические процессы в организме человека, позволяя ему долгое время сохранять активный образ жизни. В настоящее время в России среди функциональных продуктов наиболее распространены традиционные кисломолочные продукты с их специфической бактериальной флорой. В последнее время как за рубежом, так и в нашей стране формируются и новые направления в разработке концепции функциональных продуктов питания. Наряду с широко используемыми бифидо- и лакто-бактериями все больший интерес представляет использование дрожжевых культур, с одной стороны, как нут-рицевтика - источника ценных компонентов пищи (незаменимые аминокислоты, витамины, органические кислоты и др.), а с другой стороны, как пребио-тика - стимулятора собственной защитной флоры макроорганизма, т. е. парафармацевтика [2].
В связи с этим значительный интерес представляет опыт народов стран Юго-Восточной Азии и Океании по биоконверсии растительного сырья в белковые продукты. Здесь широко используют биоконверсию различных видов растительного сырья (соя, рис, маниок, арахис) с помощью традиционных микробных ассоциаций из мицелли-альных грибов, дрожжей и бактерий с получением пищевых продуктов (специфических блюд, соусов, вкусовых добавок и приправ), богатых незаменимыми аминокислотами, витаминами, ферментами и другими биологически активными веществами. Обычно эти микробные комплексы выращивают на увлажненных твердых растительных субстратах [3]. При этом процесс идет достаточно долго (от 2-3 сут до нескольких недель), его индустриализация весьма затруднена, поскольку высока вероятность обсеменения посторонней микрофлорой. И, тем не менее, такие ферментированные продукты чрезвычайно значимы в рационах народов данного региона. Возможно, самая высокая в мире средняя продол-
жительность жизни населения Японии (на 20-25 лет больше, чем в России) в значительной степени зависит от самого высокого в мире потребления ферментированных продуктов.
Разработанные в МГУПП технологии (см. схему) базируются на использовании дрожжей-суперпродуцентов биомассы, отселекционированных нами из нормальных микробиоценозов ягод, фруктов, молочнокислых продуктов. Такие дрожжи отличаются способностью интенсивно накапливать биомассу на питательных средах с высоким содержанием сухих веществ: на полужидких гетерогенных питательных средах с влажностью 70-80 % и на твердых питательных средах с влажностью 50-60 %.
За последние 4 года нами было протестировано более 300 штаммов дрожжей. Основным критерием отбора служила продуктивность культуры в условиях твердофазной ферментации, которая оценивалась по количеству дрожжевых клеток в 1 г субстрата (отруби + 2 % сахарозы). Результаты тестируемого штамма сравнивали по продуктивности с эталонной культурой, в качестве которой был выбран штамм дрожжей Candida femata, выделенный в начале 80-х годов из виноматериала в Таджикистане. Этот штамм является активным продуцентом биомассы на многих видах негидролизованного растительного сырья и уже более 9 лет используется для производства БАД к пище «Фервитал» [4-6].
Исследование продуктивности различных выделенных дрожжевых культур на этой твердофазной среде показало, что лишь 5-6 % изученных культур достигает или превышает уровень эталона и составляет 5-6 млрд клеток на 1 г среды с влажностью 50-55 % за 24-48 ч ферментации. Культуры, сравнимые по своей продуктивности с эталонной, обнаружены в родах Candida, Rhodotorula, Torula, Pichia, Metchnikova, Clavispora, Issatchenkia. Обычно для этих культур характерны достаточно малые размеры клеток (1,5-3,5) х (2,5-8,0) мкм и незначительное спиртообразование. Широко применяющиеся в пищевой промышленности дрожжи рода Saccharomyces (обычно хорошие спиртообразователи с величиной клеток 3,0-6,0 х 4,0-12,0 мкм) в такой среде накапливают не более 450-500 млн клеток в 1 г, однако использование именно этих дрожжей не вызывает никаких возражений со стороны контролирующих санитарно-эпидемиологических учреждений. Тем не менее мы считаем очень интересной возможность использования дрожжей-суперпродуцентов биомассы, не относящихся к роду Saccharomyces и прежде всего выделенных из съедобных
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
продуктов животного и растительного происхождения.
В качестве исходного сырья для дрожжевой биоконверсии используется прежде всего зерно колосовых культур (шелушенное, дробленое, зерновой солод, отруби). Для доведения влажности питательных сред до нужных параметров может быть использована как вода с добавкой необходимых минеральных веществ, так и другие жидкие субстраты, представляющие собой соки, отвары, экстракты листьев, стеблей, клубней, корнеплодов различных сельскохозяйственных растений. К этой категории могут быть отнесены и некоторые отходы переработки животного сырья, например молочная сыворотка.
Жидкая дрожжевая культура разделяется на твердую зерновую и жидкую фракции. Твердая фракция без инакти-вирования дрожжей может быть использована в качестве посевного материала при твердофазном культивировании либо после инактивирования дрожжей может быть введена в функциональные корма для сельскохозяйственных животных, или превращена в специальные функциональные пищевые продукты (хлеб специальный, крупы, хлопья, мюсли и т. п.). Жидкая фракция используется в качестве основы для выпечки хлеба и основы функциональных напитков, как жидкой, так и высушенной. В настоящее время ведутся работы по разработке рецептур таких напитков.
Все твердые отходы исходного сырья (мелкодисперсные фракции зерна и солода, выжимки листьев, стеблей, клубней, корнеплодов и т. п.) используются при твердофазной ферментации теми же дрожжами с получением функциональных кормов для животных, поэтому производство фактически является безотходным.
В ходе исследований были получены данные, свидетельствующие о том, что дрожжи, выделенные из природных ценозов, активнее накапливают биомассу при твердофазном культивировании на среде, содержащей сахарозу. При гетерогенной глубинной ферментации среды, содержащей лактозу, более продуктивны штаммы, выделенные из ценозов ферментированных животных и растительных продуктов. В обоих случаях при культивировании выделенных дрожжей в течение 24 ч белок в пересчете на сухую массу нарастает при ферментации на сахарно-отрубе-вой среде до 19,5-20,0 % и при ферментации на молочной сыворотке с добавлением зерновых круп - до 30,031,0 %. При этом белок нового продукта характеризуется весьма благоприятным содержанием незаменимых аминокислот, близким к стандарту ФАО/
ВОЗ. Кроме того, выделенные нами дрожжи активно накапливают микро-нутриенты, такие как витамины группы В, РР, а также металлы в виде металло-протеинов: селен, молибден, медь, железо, хром, магний, марганец. Так, например,100 г ферментированных отрубей удовлетворяют суточную потребность человека в витамине В6 на 30 %, а 1 л ферментированной сыворотки - почти на 90 %.
Имеющиеся в литературе данные о способности дрожжесодержащих препаратов нейтрализовать живые патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, а также о сорбции бактериальных протеаз нашли свое подтверждение в экспериментах, проведенных нами совместно с лабораторией генетики вирулентности бактерий НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи РАМН. Исследовалась возможность использования суспензии полученных нами дрожжевых продуктов для подавления протеаз энтероток-сигенных бактерий Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, Proteus mirabilis. Полученные результаты свидетельствуют, что дрожжевые продукты активно сорбируют бактериальные белковые ферменты: сериновые, металлозависимые и тиоловые протеазы энтеротоксиген-ных штаммов условно-патогенных эн-теробактерий. Также полученные продукты способны сорбировать эндотоксины патогенных и условно-патогенных бактерий, снижать их концентрацию в 8-16 раз.
Таким образом, получаемые по разработанным технологиям дрожжевые продукты можно рассматривать как функциональные, поскольку они служат источниками аминокислот, в том числе эссенциальных, мик-ронутриентов, поли- и олигосахари-дов, а также способны нейтрализовать патогенную и условно-патогенную микрофлору.
У производства дрожжевых продуктов по разработанным технологиям есть целый ряд преимуществ перед производством дрожжевой биомассы на парафинах нефти и на химических гидролизатах целлюлозосодержащего сырья, которое в бывшем СССР составляло около 1,5 млн т [7], а в современной России практически разрушено:
• гибкость в выборе сырья: отходы молочного производства (молочная сыворотка), пивоварения, зернопере-работки, плодо- и овощепереработки, а также первичные продукты (зерно, клубни, корнеплоды, зеленая растительная масса и т. п.);
• безвредность используемого сырья, так как все эти субстраты относятся к продуктам пищевого или кормового достоинства и не требуют серьезной специальной предобработки;
• гибкость в выборе предприятия-производителя, связанная прежде всего с наличием сырья; малая энергоемкость используемых процессов и небольшая продолжительность производственного цикла;
• отсутствие необходимости больших капитальных вложений в создание сложного специального оборудования;
• универсальность технологий и оборудования при производстве дрожжевых продуктов для животных и человека;
• простота применения выращенных культур, заключающаяся в инактивиро-вании, высушивании и использовании полученных дрожжевых продуктов в виде функциональных добавок к пище или кормам.
Более широк ареал использования продуктов, получаемых по разработанным технологиям:
• пищевая добавка, предназначенная для улучшения баланса питания человека (незаменимые аминокислоты, витамины, металлопротеины) и регулирования обмена веществ (функциональный продукт);
• компонент лечебно-профилактического питания человека при различных заболеваниях, прежде всего при дисбактериозе и других нарушениях микробиоценозов ЖКТ, при антибио-тикотерапии;
• добавка к корму взрослых животных как источник протеинов, витаминов и микроэлементов, а также как регулятор собственных микробиоценозов и защита от патогенных бактерий;
• добавка при выкармливании молодняка, прежде всего с целью предупреждения желудочно-кишечных заболеваний и падежа молодняка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Амиров Н.Х., Ахметова Л.Т. и др. Источники микронутриентов/Сб. материалов международной конференции «Пробиотики, пребиотики, симбиоти-ки и функциональные продукты питания. Современное состояние и перспективы». Москва, 2-4 июня 2004 г.
2. Шендеров Б.А. Медицинская микробная экология и функциональное питание. Т.3. Пробиотики и функциональное питание. - М.: Грантъ, 2001.
3. Солдатова С.Ю. Разработка технологии биологически активного полуфабриката пищи и корма на основе растительного сырья и дрожжей. Дисс.... канд. тех. наук. - Москва, 2004.
4. Патент РФ. 2002 № 2181018.
5. Патент РФ. 2004 № 2230465.
6. Патент РФ. 2004 № 2231271.
7. Грачева И.М., Иванова Л.А., Кан-тере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. - М.: Колос, 1992.
