CC BY
92
УДК 579.67 D01 10.24412/2311-6447-2021-2-132-138
Дрожжи и ингредиенты на их основе в технологии
пищевых продуктов
Yeast and its ingredients in food technologies
Аспирант И.А. Фоменко, студент Г.М. Керимова (Московский государственный университет пищевых производств) тел. 8-906-036-06-05 E-mail: fomenkoiafimgupp.ru
Graduate Student I.A. Fomenko, Student G.M. Kerimova (Moscow State University of Food Production) tel. 8-906-036-06-05 E-mail: fomenkoiafimgupp.ru
Реферат. На сегодняшний день существует серьёзная проблема дефицита белка. Особенно сильно дефицит характерен для развивающихся стран. Согласно прогнозам учёных, если люди будут придерживаться традиционных способов получения белка, то это может привести к серьёзным проблемам, и следствием может стать даже изменение климата. Поиск наиболее перспективных источников белка ведётся учеными со всего мира. Многочисленные исследования доказывают, что дрожки - хороший источник полноценного белка, витаминов, пищевых волокон. На протяжении тысяч лет люди, сами того не осознавая, использовали дрожжи в процессах ферментации, которые были призваны помочь сохранению продуктов и увеличению их пищевой ценности. Самыми древними примерами продуктов считаются: хлеб, алкогольные напитки и кисломолочные продукты. На данный момент имеется множество возможностей использования данных микроорганизмов в пищевой промышленности. Существует достаточно примеров использования не только живых клеток дрожжей (например, в составе пробиоти-ческих продуктов питания), но и их составных частей. Из составных частей дрожжевых клеток наиболее интересными являются полисахариды клеточной стенки дрожжей [/>-глюканы|, дрожжевые экстракты, концентраты и изоляты. Внесение данных ингредиентов В состав продуктов питания способствует повышению пищевой ценности, а также придания ему функциональных свойств. Помимо того, ингредиенты на основе дрожжей могут использоваться как на подготовительных стадиях производства продукта (например, для сохранения сырья), так И на заключительном этапе (использоваться в качестве добавок в готовый продукт). Целью настоящего обзора было расширить представление о применении дрожжей и ингредиентов на их основе, а также осветить проблемы для дальнейших исследований.
Summary. То date, there is a serious problem of protein deficiency. Developing countries are particularly affected by the deficit. According to scientists' forecasts, if people adhere to traditional ways of obtaining protein, this can lead to serious problems, and even climate change may result. Scientists from all over the world are searching for the most promising sources of protein. Numerous studies prove that yeast is a good source of complete protein, vitamins, and dietary fibre. For thousands of years, people have inadvertently used yeast in fermentation processes, which were designed to help conserve food and increase its nutritional value. The oldest examples of products are considered to be: bread, alcoholic beverages and fermented milk products. Now there are many opportunities for the use of these microorganisms in the food industry. There are enough examples of using live yeast cells (for example, as a part of probiotic foods) and their parts. The most interesting components of yeast cells are polysaccharides of the yeast cell wall [fi-glucans), yeast extracts, concentrates and isolates. The inclusion of these ingredients in the composition of foods can increase the nutritional value, and give it functional properties. In addition, the parts of yeast can be used both at the preparatory stages of product production (for example, to preserve raw materials) and at the final stage (used as additives to the finished product). The purpose of this review was to expand the understanding of the use of yeast and ingredients based on them, as well as to highlight problems for further research
Ключевые слова: дрожжи, дрожжевой экстракт, дрожжевой концентрат, дрожжевой изолят, продукты питания.
Keywords: yeast, yeast extract, yeast concentrate, yeast isolate, food products.
С'И.А. Фоменко, Г.М. Керимова, 2021
Согласно прогнозам ООН уже к 2050 г. население планеты может увеличиться до 9,1 млрд чел. Это приведёт к более обострённой ситуации с обеспеченностью белком по сравнению с тем, что мы имеем сейчас. Одним из путей решения проблемы, как может показаться, является увеличение поголовья скота. Однако это не так, если мы не изменим наши привычки в питании, то мы столкнёмся с 80 % увеличением выбросов парниковых газов в результате производства продовольствия и глобальной расчистки земель.
Один из наиболее перспективных способов решения проблемы обеспеченности белком - получение дрожжевой биомассы. Дрожжи имеют жизненно важное значение в производстве многочисленных продуктов питания и напитков, таких как вино, хлеб, кефир и пиво [6], а также участвуют в процессе созревания некоторых сыров [7]. Дрожжи полезны в пищевой промышленности и обычно используются в традиционных пищевых заквасках, которые общепризнаны безопасными. Они способны проявлять устойчивость к противомикробпым препаратам, что даёт предпосылки для дальнейшего использования в качестве пробиотиков, и не передают гены лекарственной устойчивости другим микроорганизмам. В данном исследовании описывается, как исследователи из разных стран видят возможность использовать дрожжи и ингредиенты на их основе в пищевых продуктах.
Производство алкогольной продукции. Дрожжи с давних времён используются при производстве алкогольных напитков. В классической технологии применяют свободные дрожжи, однако с 70-х годов прошлого века начали использовать иммо-биллизированные дрожжи [1], Иммобилизация дрожжей - физическое удержание дрожжевых клеток в определенной области пространства с сохранением биологической активности. Использование этой методики для алкогольной ферментации дает много преимуществ по Сравнению с использованием обычного метода свободных дрожжевых клеток. Наиболее изученные способы иммобилизации дрожжей включают использование природных носителей (например, кусочки фруктов), органических носителей (например, альгинат), неорганических (например, пористая керамика), мембранных систем и многофункциональных агентов. Некоторые преимущества дрожжевых систем иммобилизации: высокая концентрация биомассы, повышение выхода продукта, снижение риска микробного загрязнения, быстрое отделение клеток микроорганизма, лучший контроль и воспроизводимость процессов, а также повторное использование системы иммобилизации для периодического непрерывного брожения. Однако эти методы имеют некоторые последствия для поведения дрожжей, влияя на конечные продукты ферментативного обмена.
Также существует метод межвидовой иммобилизации, который признан безопасным, в его процессе дрожжевые клетки прикрепляются к гифам гриба и остаются прилипшими после потери жизнеспособности гриба. Сформированные таким способом биокапсулы открывают новые и перспективные стратегии производства алкогольных напитков (вина и напитков с низким содержанием этанола).
Одним из подходов для повышения рентабельности современного промышленного пивоварения является ферментация сусла с высоким содержанием несоложеного зерна. Однако содержание питательных веществ, предусмотренных для дрожжей в этих методах, часто недостаточно для достижения удовлетворительного результата брожения и качества продукта. Дрожжевые экстракты могут оптимизировать эти процессы ферментации, поскольку они обеспечивают множество необходимых питателыгых веществ для дрожжей, таких как свободный о-амиппый азот, минералы и витамины, или создают дополнительную пользу для продукта в результате их антиоксидантных свойств. При производстве пива большое количество физиологически активных компонентов дрожжевого экстракта стимулирует ферментативную активность дрожжей, ускоряя процесс брожения. К тому же, отдельные питательные вещества дрожжевого экстракта влияют на вторичный метаболизм дрожжей и, следовательно, на общий вкус пива.
Хлебопекарное Производство. Хлеб потребляется в больших количествах ежедневно и играет важную роль в питании человека. Растущая осведомленность о здоровом образе жизни связана с потребительским спросом на хлеб с более низким содержанием калорий и клетчатки. Таким образом, производители хлебопекарной продукции делают акцент на хлеб, содержащий функциональные ингредиенты. Однако поиск новых функциональных ингредиентов для выпечки хлеба, которые могут улучшить технологические, лечебные свойства, пищевую ценность, является сложной задачей.
Перспективным субстратом для обработки являются отходы дрожжей пивоваренного производства. Отработанные пивные дрожжи, большая часть которых все ещё перерабатывается как жидкие отходы, могут быть богатым источником функциональных ингредиентов, таких как клетчатка (в основном ^-глюканы), белок (включая протеолитические ферменты), витамины и минералы [8|, и другие перспективные ингредиенты для хлебопекарного производства.
Дрожжевые белки и протеолитические ферменты, /З-глюканы признаны безопасными для использования в пищевых продуктах и представляют собой адекватный аминокислотный профиль, богатый незаменимыми аминокислотами.
В целом, экстракты дрожжей, богатые /З-глюканом, белками и протеолитиче-скими ферментами, не влияют на большинство физических параметров хлеба. Однако экстракт, богатый /3-глюканом, выделяется улучшением пищевой ценности и лечебных свойств не только по содержанию ^-глюкана в хлебе, но и по общему содержанию пищевых волокон (увеличение на 39 %). При использовании экстракта белков и протеолитических ферментов содержание белка в хлебе увеличилось всего на 6 %, это негативно сказалось на удельном объеме хлеба. В этом случае незначительные улучшения в пищевой ценности и лечебных свойствах не компенсируют негативное воздействие на физические свойства, что может ухудшить восприятие потребителем. Таким образом, только экстракт, богатый /З-глюканом, кажется перспективным функциональным ингредиентом без ущерба для качества. Помимо этого, использование отработанных пивных дрожжей для выделения 0-глюкана, предназначенного для пищевой промышленности, было бы приемлемым технологическим и экономическим выбором для пивоваренных заводов, так как данное соединение обладает большей коммерческой ценностью, чем отработанные пивные дрожжи, и способно максимизировать общую прибыльность производства.
Производство пробиотических продуктов. Пробнотнки-это живые микроорганизмы, которые при введении в достаточных количествах приносят пользу здоровью хозяина. Молочные продукты, такие как йогурт, кефир и сыр, являются наиболее популярными средствами доставки пробиотнков потребителям. Эти пищевые продукты производятся путем ферментации бактериальными и/или дрожжевыми заквасочными культурами вместе с пробпотпческими бактериями для улучшения органолептических свойств молока и обеспечения размножения полезных микроорганизмов в достаточном количестве, необходимом для оказания их оздоровительного воздействия. При этом оптимальная функция пробиотических агентов, способствующая укреплению здоровья, напрямую зависит от их выживаемости в кислых средах, например, в агрессивной среде, содержащей желудочный сок. В процессе ферментации происходит снижение внутриклеточного рН, накопление анионов нарушает метаболические процессы, имеющие решающее значение для выживания пробиотика, что приводит к снижению количества жизнеспособных клеток и сокращению срока годности продукта.
Существуют исследования, где применялись автоклавированпые цельные дрожжевые клетки и полисахариды клеточной стенки дрожжей, в результате которых было достигнуто повышение толерантности к кислотам [9]. Полисахариды представляют собой в основном /3-глюканы и маннаны из манноиротеинов, составляющие примерно 60 и 40 %от сухой массы клеточной стенки дрожжей соответственно [3].
Было высказано предположение, что данные полисахариды дрожжей повышают жизнеспособность пробиотиков в кислой среде, обеспечивая источники углерода для производства энергии, а также создавая физический барьер вокруг бактериальных клеток, чтобы защитить их от неблагоприятной окружающей средьг_Помимо увеличения выживаемости пробиотиков, jS-глюкаиы и маннопротеины оказывают иммуностимулирующее, противовоспалительное и антимикробное действие, стимулируя активность нейтрофилов и макрофагов в организме хозяина [10]. Таким образом, дрожжевые полисахариды потенциально могут быть использованы в пробио-тических пищевых продуктах для улучшения их пользы для здоровья.
Помимо хорошо известных и проверенных молочнокислых бактерий, живые дрожжи также могут быть пробиотиками. Это создает потенциал для создания новых пробиотических продуктов с новыми евойствами, которые не содержат пробио-тики бактериального происхождения, сейчас широкодоступны® на рынке. В статье представлен обзор пробиотических дрожжей Saccharornyces cereuisiae var. boulardii, его характеристики, полезные для здоровья действия и применение в производстве функциональных продуктов питания. Этот вид обладает способностями улучшать усвоение определенных пищевых ингредиентов, проявлять противомикробную активность и терапевтические свойства. Использование дрожжей в сочетании с молочнокислыми организмами также может давать положительные результаты: дрожжи будут снабжать их факторами роста и поспособствуют большей выживаемости.
Продукты для детского питания. В Африке уже имеется опыт использования дрожжей Candida tropicalis для обогащения белком основных пищевых ингредиентов, таких как кукуруза и маниока, которые имеют очень низкое содержание белка (около 1-3 %). Кроме того, известно, что дрожжи имеют высокий уровень лизина и триптофана, что еще больше повышает питательную ценность этих основных продуктов питания в рационе питания жителей Африки. Исследователи Kuforiji и АЬо-aba предлагают использовать дрожжи рода Candida valida (или Candida mycoderrna), в качестве пищевой добавки (в том числе и в продукты детского питания), содержащей белок и аминокислоты, и анализировалось содержание других питательных веществ, таких как зола, сырая клетчатка, липиды и углеводы. Данный микроорганизм был выделен из оги, широко распространённого ферментированного кукурузного пудинга на африканском континенте, который дают детям после окончания грудного вскармливания.
Дрожжевые экстракты. Как известно, отработанные пивные дрожжи являются вторым по величине побочным продуктом пивоваренной промышленности [4]. Они имеют потенциал дальнейшего использования в виде дрожжевых экстрактов. Дрожжевые экстракты представляют собой концентраты растворимой фракции дрожжей, в основном Saccharornyces cerevisiae. Основное применение они находят в качестве питательных и вкусовых добавок. Экстракты образуются главным образом в результате автолиза дрожжевых клеток, но в некоторых случаях к ним добавляют кислые или экзогенные ферментные препараты. Основные питательные компоненты дрожжевых экстрактов: частично гидролизованный белок с 35-40 % содержанием свободных аминокислот, а также витамины группы В и некоторые микроэлементы.
Имеются данные о достаточном содержании биологически активных пептидов в составе экстрактов. В работе Amorim [4] представлена информация о потенциальном использовании дрожжевого экстракта в качестве биологически активного или функционального пищевого ингредиента для лечения гипертонии с антиоксидант-ным эффектом.
Экстракты, обогащенные дрожжами с достаточным количеством тиоредокси-на, могут быть применены в функциональных пищевых продуктах для смягчения пищевой аллергии. Принцип работы белка тиоредоксина заключается в том, что он катализирует восстановление дисульфидных связей в других белках с помощью
НАДФН-зависимой тиоредоксинредуктазной системы. Именно уменьшение дн-сульфидных связей аллергенных белков в пище снижает её аллергенность.
Помимо биологически активных свойств дрожжевых экстрактов существует возможность их применения в качестве заменителей соли. Соль - это дешевый ингредиент, который усиливает положительные вкусовые качества продуктов и делает их вкуснее. Однако соль вызывает гипертонию, задержку воды, повышение сердечного давления, отеки и почечную недостаточность. Наличие соли во многих готовых пищевых продуктах может приводить к общему увеличению её количества в рационе питания, В нескольких исследованиях была предпринята попытка снизить концентрацию соли в пище; процесс осуществлялся постепенно, чтобы иметь возможность контролировать сохранение воздействия соли на пищу. Дрожжевой экстракт является одним из приемлемых заменителей соли, как натурального продукта, который можно легко получить. Причём, как правило, дрожжевые экстракты не влияют на вкус и запах пищи [2].
Заменители соли широко распространены в ресторанной пище и являются одним из средств, с помощью которых рестораны могут снижать уровень хлорида натрия в своих продуктах. В статье всоигЬоШакоз было проведено исследование сетей заведений быстрого питания. Шестьдесят девять процентов продуктов питания содержали заменитель/усилитель соли. Наиболее распространенными заменителями /усилителями были дрожжевые экстракты (в 30 % пищевых продуктов), хлорид кальция (28 %), глутамат натрия (14 %) и хлорид калия (12 %).
Однако, несмотря на многочисленные преимущества применения белков, полученных из дрожжевых экстрактов, стоит помнить, что на сегодняшний день потребление дрожжей в качестве источника белка для питания человека ограничено высоким содержанием нуклеиновых кислот. В частнос ти, дрожжи содержат 6-15 % нуклеиновых кислот по сравнению с 2 % в мясных продуктах. Известно, что высокое потребление нуклеиновых кислот в рационе человека может повышать уровень мочевой кислоты в крови, что может привести к гиперурпкемпи или отложению мочевой кислоты в тканях суставов. Исследования показали, что безопасный уровень потребления нуклеиновых кислот для человека составляет 2 г/сут, что составляет 20 г сухих дрожжей в день, исходя из того факта, что дрожжи содержат 10 % нуклеиновой кислоты. Увеличение количества дрожжей в рационе потребует снижения содержания нуклеиновых кислот в самих дрожжах; это значение реально снизить до 2 %.
Дрожжевые концентраты и изоляты. Дрожжевые концентраты и изоляты довольно похожи по составу (не менее 60 % белка, не более 1 % липидов и 2 % нуклеиновых кислот - для концентратов; не менее 80 % белка, не более 1 % липидов, 2 % нуклеиновых кислот и 5 % углеводов - для изолятов), но имеют отличия. Принципиальное различие концентратов и изолятов заключается в их технологии. При получении белковых концентратов клеточную стенку разрушают частично, только для извлечения ненужных компонентов (нуклеиновые кислоты и липиды). Для получения изолятов клеточную стенку разрушают полностью и проводят экстракцию белка и большинства внутриклеточных компонентов, затем проэкстрагированный белок освобождают от сопутствующих веществ.
Пептидные концентраты, полученные путём гидролиза отработанных белков пивных дрожжей с последующей фильтрацией, могут быть использованы для обеспечения противоязвенного и антипролиферативного эффекта в функциональных продуктах питания. Для доказательства возможной защиты слизистой оболочки желудка использовали модель животного с язвенными поражениями, вызванными гхе-роральным введением химически чистого этанола. Пептидная фракция <3 кДа смогла снизить повреждения желудка до значительных уровней. Исследования ан-типролиферативной активности показали многообещающую действие в отношении клеточной линии К-562 (лейкемия) [5].
Дрожжевые культуры могут использоваться не только на стадии производства самих напитков, но и на этапе хранения сырья. Например, широкий ассортимент свежих фруктов и овощей подвергается нападению разными видами Penicillium, вызывающих заболевания во время их послеуборочной обработки. Многие из них психротрофны и способны вызывать порчу пищи при температуре охлаждения, как это происходит со столовым вино градом. После сбора урожая виноградные грозди хранят в ящиках в среде SO2, чтобы уменьшить загрязнение грибковыми конидиями. Однако остаточные количества SO2 опасны для людей с аллергией на сульфиты и негативно влияют на качество свежих фруктов. Rodriguez Assaf и др. предложен способ биологического контроля фитопатогенов P. expansum с помощью применения микробных антагонистов - дрожжей, естественно присутствующими на поверхности плодов.
Некоторые виды дрожжей обладают способностью продуцировать антимикробные соединения в борьбе с порчей пищевых продуктов, которые могут подавлять некоторые патогенные и вредные бактерии. В исследовании образцы молочных и мясных продуктов были взяты для выделения дрожжей и протестированы на антимикробную активность в отношении золотистого стафилококка, синегнойной палочки и кишечной палочки. Кроме того, все изоляты видов дрожжей были подвергнуты полимеразной цепной реакции для выявления генов khs (киевитон гидратаза( и pelA (фермент, разрушающего пектат). Антимикробная активность выделенных из продуктов дрожжей в отношении выбранных видов бактерий показала высокую активность для Candida intermedia против Staphylococcus aureus и Escherichia coli, для Candida kefyr против Escherichia coli и для Candida lusitaniae против Staphylococcus aureus. Таким образом, используя данные виды дрожжей, можно существенно увеличить срок годности продуктов и снизить вероятность отравления.
На основании вышеизложенного можно подвести итог, что дрожжи являются интересными микроорганизмами, и многие из них уже используются в новейших технологиях функциональных продуктов. Был достигнут значительный прогресс в выделении, идентификации и характеристике дрожжей из продуктов питания и напитков, дальнейшие исследования в этих областях приведут к разработке новых функциональных продуктов и обнаружению новых свойств. В настоящее время количество идентифицированных видов дрожжей и их биотехно логический потенциал расширяются. Их участие и важность в производстве биотехнологических продуктов возрастает, и другие потенциальные возможности дрожжей еще предстоит раскрыть.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ермолаева Г. А. Получение пива с применением иммобнлизоваштых дрожжей / Г. А. Ермолаева / / Основные процессы пивоварения. - 2003. - № 4. - С. 8-11.
2. Abou Ghoush L., Khatib S. El Yeast Extract: A Potential Substitute of Salt in Baked Crackers / / international Journal of Environment, Agriculture and Biotechnology. 2021. No 1 (6).
3. Aguiiar В. [и др.]. Characterization of Cell Wall Extracts from Saccharomyces cerevisiae with immunological Activity // Food Biotechnology. 2012. № 4 (26).
4. Amorim M. [и др.]. Antihypertensive effect of spent brewer yeast peptide // Process Biochemistry. 2013. (76).
5. Amorim M. M. [и др.]. Antiulcer and antiproliferative properties of spent brewer's yeast peptide extracts for incorporation into foods / / Food and Function. 2016. N<> 5 (7).
6. An tunes J., Aguiar C. Search for killer pheno types with potential for biological control // Annals of Microbiology. 2012. № 1 (62).
7. Binetti А. [и др.]. Yeasts from autochthonal cheese starters: Technological and functional properties // Journal of Applied Microbiology. 2013. No 2 (115).
8. Ferreira L M. P. L. V. О. [и др.]. Brewer's Saccbaromyces yeast biomass: characteristics and potential applications // Trends in Food Science and Technology. 2010. T. 21. № 2.
9. Ganan M. [и др.]. Effcct of Mannoprotcins on the Growth, Gastrointestinal Viability, and Adherence to Caco-2 Cells of Lactic Acid Bacteria // Journal of Food Science. 2012. Nu 3 (77).
10. На С. H. [и др.]. Preparation and analysis of yeast cell wall mannoproteins, immune enchancing materials, from cell wall mutant Saccharomyces cerevisiae / / Journal of Microbiology and Biotechnology. 2006. T. 16. № 2.
REFERENCES
1. Ermolaeva G. A. Beer production using immobilized yeast/G. A. Ermolaeva// Main brewing processes. - 2003. - No 4. - C. 8-11.
2. Abou Ghoush L., Khatib S. Ei Yeast Extract: A Potential Substitute of Salt in Baked Crackers // International Journal of Environment, Agriculture and Biotechnology. 2021. № 1 (6).
3. Aguilar В. [и др.]. Characterization of Cell Wall Extracts from Saccharomyces cerevisiae with Immunological Activity // Food Biotechnology. 2012. № 4 (26).
4. Amorim M. [и др.]. Antihypertensive effect of spent brewer yeast peptide // Process Biochemistry. 2019. (76).
5. Amorim M. M. [и др.]. Antiulcer and antiproliferative properties of spent brewer's yeast peptide extracts for incorporation into foods / / Food and Function. 2016. № 5 (7).
6. Antunes J., Aguiar C. Search for killer phenotypes with potential for biological control // Annals of Microbiology. 2012. № 1 (62).
7. Binetti А. [и др.]. Yeasts from autochthonal cheese starters: Technological and functional properties // Journal of Applied Microbiology. 2013. No 2 (115).
8. Ferreira I. M. P. L. V. О. [и др.]. Brewer's Saccharomyces yeast biomass: characteristics and potential applications // Trends in Food Science and Technology. 2010. T. 21. No 2.
9. Ganan M. (ii др.]. Effect of Mannoproteins on the Growth, Gastrointestinal Viability, and Adherence to Caco-2 Cells of Lactic Acid Bacteria / / Journal of Food Science. 2012. № 3 (77).
10. На С. H. [и др.]. Preparation and analysis of yeast cell wall mannoproteins, immune enchancing materials, from cell wall mutant Saccharomyces cerevisiae / / Journal of Microbiology and Biotechnology. 2006. T. 16. № 2.
