Жидкие дрожжи

24.10.2014

Изучение процесса выработки жидких дрожжей должно начинаться с анализа основного продукта, который используется для их приготовления, т. е. с осахаренной или неосахаренной заварки, и затем продолжаться по всем фазам, предусмотренным технологической схемой. Задачей исследования является выяснение, в какой мере состав культуральной среды соответствует поставленной задаче размножения молочнокислых бактерий и продуцирования ими молочной кислоты (т. е. закисанию), а на последующих фазах размножению дрожжей, обладающих высокой сбраживающей способностью.
Эти вопросы изучались при разработке различных схем производства жидких дрожжей, однако, далеко не все существенные моменты были достаточно полно выяснены. Определение суммы восстанавливающих сахаров с пересчетом на мальтозу не может дать полного представления о составе сахаров, накопившихся в заварке. При трехчасовом автолизе происходит не только осахаривание крахмала, но и дальнейший гидролиз мальтозы под влиянием α-глкжозидазы (мальтазы) и ферментов микроорганизмов. Требует уточнения также вопрос о содержании водорастворимых азотистых веществ, так как нет оснований считать эту фракцию только небелковыми азотистыми соединениями; несомненно, что некоторую часть ее составляют растворимые белковые вещества. Этот вопрос имеет большое практическое значение, так как наличие усвояемых бактериями и дрожжевыми клетками аминокислот будет в значительной степени определять как интенсивность их жизнедеятельности, так и размножения клеток.
В последующих работах, проведенных в этом направлении, также не было получено полных данных о накоплении усвояемых молочнокислыми бактериями и дрожжами органических соединений в процессе осахаривания заварики. В приведенных материалах отмечается существенное влияние температуры воды, применяемой для заваривания муки, на накопление суммы редуцирующих веществ (условно пересчитанных на мальтозу). При приготовлении заварки заливанием водой температурой выше 75—80° С снижается скорость автолиза крахмала вследствие частичной инактивации β-амилазы. То же явление наблюдается при приготовлении заварки барботированием пара. При Этом отрицательное влияние высокой температуры проявляется тем сильнее, чем меньше муки содержит заварка. Кроме того, при действии высокой температуры снижается содержание в заварке растворимых в воде азотистых соединений. К сожалению, более подробно влияние температуры заваривания и осахаривания на количество сахаров и отдельных фракций углеводов не изучалось.
Процесс заквашивания осахаренной (или неосахаренной) заварки заключается в размножении культуры молочнокислых бактерий — термофильных бактерий Дельбрюка или других штаммов молочнокислых бактерий гомоферментативного типа. На данной фазе должно накопиться необходимое количество молочной кислоты, которое обеспечило бы оптимальные -условия среды для последующего размножения дрожжевых клеток с высокой сбраживающей способностью.
При этом необходимо учитывать два обстоятельства: наличие в заквашенном заторе азотистых соединений, усвояемых дрожжами, а также биологически активных веществ (витаминов, стимуляторов и ингибиторов брожения) и активную кислотность среды. По-видимому, наличие усвояемых бактериями и дрожжами углеводов не является лимитирующим фактором; при всех условиях в заторах их содержится достаточно.
Интересные данные были получены при изучении процесса заквашивания заварок из муки различных выходов (табл. 87). Размножение молочнокислых бактерий и накопление кислоты происходит более интенсивно в заварках из обойной муки ржаной и пшеничной по сравнению с заварками из пшеничной II сорта и ржаной обдирной муки. Предположение о том, что активаторами молочнокислого брожения являются биологически активные вещества, содержащиеся в зародышевой части и алейроновом слое зерна, остается недоказанным. Содержание витаминов B1 и В2 в муке обойной и II сорта практически одинаково. Более существенны различия в; количестве никотиновой кислоты; в обойной муке ее содержится почти в 3 раза больше, чем в муке II сорта.

Следует учитывать также существенные различия между этими сортами муки в соотношении белковых фракций — по общему содержанию растворимого в воде белка, аминокислотного их состава, а также по содержанию и форме фосфорнокислых солей. Вероятно, и по активности ферментов, в частности протеолитических, исследованные заварки из муки разных сортов могут существенно отличаться одна от другой. Кроме того, следует учитывать также и буферность среды, в которой протекает деятельность молочнокислых бактерий. Вещества, определяющие буферность муки (белки и неорганические фосфаты), содержатся в муке обойной и II сорта о различных количествах. Вопрос о влиянии сорта муки на процесс закисания затора остается пока не выясненным.
В обстоятельных исследованиях были получены данные, характеризующие изменение азотистых веществ в процессе заквашивания заторов из пшеничной муки II сорта. Данные табл. 88 показывают, что при этом значительно повышается содержание растворимого в воде белкового азота; это явление объясняется повышением кислотности затора (от pH 4,6 до 3,8). Отмечается также и явление протсолиза; количество азотистых веществ, неосаждаемых трихлоруксусной кислотой, также увеличивается почти в 2 раза. Интересно отметить, что количество аминного азота в процессе заквашивания не только не уменьшается, но даже заметно повышается; следовательно, процессы гидролитического распада белков идут более интенсивно, чем поглощение аминокислот микроорганизмами затора.

Разбавление заквашенных заторов ведет к снижению содержания растворимых азотистых веществ, в том числе и аминного азота. Обследование, проведенное этими же авторами, показало, что жидкие дрожжи, вырабатываемые на некоторых хлебозаводах Москвы, очень сильно отличаются не только по содержанию восстанавливающих сахаров, но и по количеству аминного азота, которое колеблется от 17 до 30 мг на 100 г затора. Исходя из имеющихся данных о потребности дрожжевых клеток в амин-ном азоте, было предположено, что количество усвояемого азота, накопившегося в процессе заквашивания затора, недостаточно, для того чтобы обеспечить энергичное размножение дрожжевых клеток, особенно, если этот затор разбавляется перед засевом дрожжей.
Была проведена серия опытов, в результате которых установили, что лимитирующим фактором в развитии дрожжей являются азотистые компоненты затора. В качестве источников усвояемого азота был взят дрожжевой автолизат и сернокислый аммоний. Как видно из данных, приведенных в табл. 89, добавление 1 % автолизата, с которым вносилось дополнительно около 15 мг аминного азота на 100 мл среды, заметно повышало подъемную силу дрожжей. При этом было показано, что инактивация ферментов дрожжевого автолизата кипячением не влияет на стимулирующий эффект его по отношению к сбраживающей способности дрожжей. Следовательно, этот эффект обусловлен именно внесением дополнительных источников азотистого питания дрожжевых клеток, а не усилением расщепления белковых веществ затора.

Дальнейшие исследования показали, что ускорять процесс размножения дрожжей в заквашенных заторах можно добавлением неорганических соединений азота, а именно сернокислого аммония. При этом было установлено, что имеется определенная оптимальная концентрация сульфата аммония, при превышении которой он уже не влияет на размножение дрожжевых клеток и их подъемную силу (табл. 90).

Дополнительные опыты показали, что сульфат аммония потребляется дрожжами особенно интенсивно в период между тремя и шестью часами брожения (около 60% от всего добавленного вещества). Можно предположить, что именно в этот период происходит наиболее интенсивный синтез биомассы дрожжевыми клетками; за 10 ч брожения было потреблено дрожжами 85% внесенного азота. На основании этих опытов предлагается для улучшения качества жидких дрожжей, приготовляемых на разбавленных заквашенных заторах, добавлять сернокислый аммоний в количестве около 0,05% к объему затора.

Наряду с этими исследованиями были проведены опыты по выяснению возможности обеспечения дрожжей азотом за счет усиления протеолиза белков муки. Для этого использовали препарат белого, т. е. активного по ферментам, солода и препарат папаина.

Как видно из данных табл. 91 и 92, в обоих случаях значительно увеличилось содержание аминного азота, особенно в условиях повышенной активной кислотности среды, соответствующей кислотности заквашенного затора (pH 4,0). Определение содержания аминного азота в заквашенном заторе с прибавлением папаина подтверждает технологическую эффективность этого способа — качество жидких дрожжей значительно улучшалось (табл. 93).

Такое же действие оказывают и препараты ферментов плесневых грибов Aspergillus oryzae. Изменение белковых веществ при закисании затора идет значительно интенсивнее, если в затор был добавлен ферментный препарат Aspergillus. К моменту внесения дрожжей заквашенный затор с ферментным препаратом содержал значительно больше аминного азота, чем контрольный. Следует отметить также существенное сокращение продолжительности процесса — контрольный затор в конце 16-часового заквашивания содержал столько же аминного азота, сколько его было в заторе с ферментами в начале заквашивания, причем это количество аминного азота было накоплено за 1,5 ч автолиза затора перед его заквашиванием.
В заторе, более богатом аминным азотом, размножение дрожжевых клеток протекает значительно интенсивнее. Прибавление в затор ферментного препарата приводит к более энергичному потреблению растворимого в воде азота, чем в контрольном заторе; одновременно повышается количество нерастворимого азота за счет увеличения биомассы дрожжевых клеток. Содержание аминного азота в бродящем заторе закономерно снижается; это свидетельствует о том, что потребление аминокислот дрожжевыми клетками превалирует над образованием их при гидролизе белковых веществ. Эти данные имеют значение не только для характеристики влияния ферментных препаратов, но они более широко освещают биохимические процессы при производстве жидких дрожжей.
Изложенные данные показывают первостепенное значение азотного питания для получения жидких дрожжей хорошего качества. Продолжение исследований в этом направлении с составлением полного баланса азотистых веществ и их фракций при осахаривании, заквашивании затора и размножении дрожжей позволит установить определенные лимиты содержания азота, необходимые для получения дрожжей с высокой сбраживающей способностью.
На скорость размножения и биологические свойства дрожжевых клеток влияют многие факторы. Одним из таких факторов является наличие в заквашенном заторе кислорода. Известно, что для размножения дрожжей необходимо присутствие кислорода. Прямые опыты с продуванием воздуха через затор, в котором происходит размножение дрожжей, показали, что в этом случае количество дрожжевых клеток значительно больше, чем в контрольном. Аналогичное повышение количества дрожжевых клеток отмечается также и при перемешивании затора, при котором происходит улетучивание углекислого газа и летучих кислот.
При аэрации затора заметно повышается подъемная сила дрожжей; аэрация жидких дрожжей способствует получению хлеба большего объема и лучшей пористости.
При дальнейшем исследовании этого вопроса необходимо учесть и то обстоятельство, что аэрация в какой-то степени может и снизить сбраживающую способность жидких дрожжей (эффект Пастера), так как клетки при наличии кислорода могут в той или иной степени перейти на аэробный обмен веществ, Ho, возможно, что увеличение количества дрожжевых клеток компенсирует снижение интенсивности брожения.
Для получения высококачественных жидких дрожжей большое значение имеет ход накопления основного продукта молочнокислого брожения — молочной кислоты. Об интенсивности кислотообразования в заквашенных заторах судили по приросту титруемой кислотности, и основным показателем готовности затора является также величина этой кислотности.
По имеющимся отдельным данным, количество молочной кислоты в заквашенном заторе составляет от 0,6 до 1,0% и, по-видимому, не превышает 1,3%; при таком содержании молочной кислоты дрожжевые клетки размножаются плохо.
К сожалению, данных, характеризующих накопление молочной кислоты в зависимости от продолжительности брожения, концентрации заквашенного затора, наличия питательных веществ и других факторов, которые могут существенно влиять на жизнедеятельность дрожжей, до настоящего времени не получено.
Заключения о преимуществе того или иного режима приготовления заварки, заквашивания затора, температурного фактора основаны на определении суммарной кислотности обычными методами ацидиметрического титрования с применением цветных индикаторов (фенолфталеина). Конечно, это суммарное определение не может заменить определения индивидуальных органических кислот, образующихся при заквашивании.
Совершенно недостаточно также изучено изменение концентрации водородных ионов в процессе жизнедеятельности молочнокислых бактерий. В перечисленных выше работах приводятся данные о том, что в конце заквашивания затора активная кислотность достигает pH 3,8—3,9; при этом неизвестно, как изменяется эта кислотность в дальнейшем и в какой степени размножение дрожжей зависит от концентрации водородных ионов в среде.
Отсутствие точных данных заставляет технологов использовать материалы, полученные при исследовании других бродильных производств, и сопоставлять их.
Так, значительный интерес представляют данные по кинетике накопления молочной кислоты молочнокислыми бактериями Lactobacillus Delbrnckii. Рост количества бактерий и накопление молочной кислоты протекает более интенсивно в менее кислой среде (рис. 70); при pH 4,5 содержание молочной кислоты в среде достигает 40 мг/мл только через 70 ч брожения, тогда как при pH 5,4 это же количество молочной кислоты вырабатывается бактериями уже через 16 ч, а при pH 6,0 через 14 ч. Скорость синтеза молочной кислоты и роста количества бактерий изменяется в зависимости от времени и активной кислотности среды. Максимальная скорость образования молочной кислоты отмечается при pH 6,0 около 10-го часа брожения, после чего она начинает снижаться (рис. 71); при pH 5,4 эта величина достигает максимума примерно около 12-го часа брожения, а в еще более кислой среде при pH 4,5 требуется около 30 ч брожения, чтобы скорость синтеза молочной кислоты достигла бы своего максимума.
Скорость накопления молочной кислоты в зависимости от кислотности среды также различна; при pH 6,0 максимальная скорость накопления этой кислоты составляет 7,5 мг/1 мл в 1 ч, при pH 5,4 оно несколько ниже 6,5 мг/мл в 1 ч, а при pH 4,5 она достигает только 1 мг/мл в 1 ч. Отмечается некоторая закономерная связь и между скоростью синтеза молочной кислоты и ростом количества клеток бактерий.

Если рассчитать величину удельной скорости синтеза молочной кислоты, т. е. отнести скорость образования кислоты к количеству бактерий (последнее выражается величиной оптической плотности культуральной среды), то эта зависимость при различных значениях pH будет иметь вид, изображенный на, рис. 72. Отсюда видно, что скорость синтеза молочной кислоты является функцией не только количества бактериальных клеток, но и скорости их роста, т. е. скорости размножения бактерий. Недавно были изучены некоторые показатели, характеризующие процесс выработки жидких дрожжей на одном из московских хлебозаводов.
В течение периода осахаривания заварки наблюдается заметное повышение активной кислотности, величина pH снизилась с 6,4 до 5,6. Анализ осахаренной заварки показал, что в ней присутствует молочная кислота; по-видимому, уже в течение осахаривания начинают проявлять активную жизнедеятельность молочнокислые бактерии, присутствующие в муке. Заквашенный затор характеризуется низкой концентрацией водородных ионов — в конце заквашивания pH 3,58, а после охлаждения pH 3,5. При размножении, дрожжей активная кислотность продолжает повышаться, и pH доходит до 3,4 (рис. 73).

Предположение некоторых авторов, что применение термофильных бактерий исключает накопление кислых продуктов в охлажденном заторе, не доказано.
Об этом свидетельствует также непосредственное определение содержания молочной кислоты. Заквашенный затор в исследованном процессе содержал 800 мг этой кислоты на 100 г продукта, а производственные жидкие дрожжи около 950 мг/100 г, т. е. на 20% больше.
По имеющимся данным, полученным для дрожжей в жидкой синтетической среде, кислотный оптимум для размножения дрожжевых клеток лежит в пределах pH 4,0—6,0 (рис. 74). Следовательно, активная кислотность заквашенного затора не благоприятствует развитию дрожжей; регулирование этой кислотности в пределах оптимума является одной из возможностей улучшения качества жидких дрожжей.

Проведенные недавно исследования в производственных условиях выявили некоторые закономерности накопления кислых продуктов в процессе выработки жидких дрожжей. Как видно из данных табл. 94, уже в начале производственного цикла (и еще раньше при заквашивании затора) накапливаются летучие кислоты, содержание которых постепенно возрастает. Это свидетельствует о том, что в культуральной среде происходит гетероферментативное молочнокислое брожение, сопровождающееся выделением летучих кислот, в основном уксусной. Наряду с этим протекает брожение и других типов, вызванное наличием в муке, а следовательно, и в заварке ряда «диких» бактерий.

При этом следует учесть и явление двухфазности брожения. В применении к термофильным штаммам Lactobacillus Delbrueckii недавно было показано, что в течение периода культивирования соотношение между образовавшейся молочной кислотой и сброженной глюкозой значительно изменяется. Данные табл. 95 показывают, что за первые 6—12 ч брожения выход молочной кислоты составляет от 45 до 57,8% сброженной глюкозы, тогда как в последующие 12 ч он повышается до 94%. В первый период брожения молочная кислота накапливается медленно, эффективность брожения невелика. Так как основной задачей заквашивания затора является накопление молочной кислоты, то вопрос об эффективности этого процесса является весьма существенным. Возможно, что при применении более зрелых культур бактерий можно сократить продолжительность заквашивания и снизить расход глюкозы на образование молочной кислоты.

Практическое значение и большой теоретический интерес имеет недавно установленный фактор значительного изменения бродильной способности жидких дрожжей в зависимости от глубины слоя культуральной среды. Наибольшей сбраживающей способностью обладают жидкие дрожжи, отобранные из верхних слоев бродильного чана и наименьшей — из нижних слоев. Между тем жидкие дрожжи для приготовления теста в данном случае отбираются из нижнего слоя, т. е. используются наименее активные дрожжи. Изменением уровня отбора дрожжей можно значительно повысить интенсивность сбраживания теста. Вероятно, дрожжи верхних слоев культуральной среды находятся в условиях лучшего снабжения кислородом и вследствие этого коэффициент размножения их выше; в данном случае, очевидно, снижение бродильной способности (эффект Пастера) вследствие содержания большего количества кислорода компенсируется увеличенным количеством дрожжевых клеток.
Существенное значение имеет величина потерь при производстве жидких дрожжей. По этому вопросу имеются немногочисленные данные, заслуживающие внимания. При сравнении содержания спирта, расхода сахаров и фактических потерь сухих веществ в заторах, содержащих различное количество муки, были получены следующие данные (табл. 96). Прежде всего, потерн сухих веществ, определяемые тремя методами, были одинаковы. Далее намечается ясно выраженная закономерность в изменении величины потерь сухих веществ при разведении заторов — они уменьшаются почти пропорционально разведению затора, т. е. в более жидких заторах менее интенсивно используются углеводы. Для сопоставления суммарных потерь сухих, веществ при производстве жидких дрожжей в описанных случаях необходимо учесть, что приведенные цифры относятся к промежуткам между отборами дрожжей; в одном случае отбирается 50%, в другом — 33% и в третьем — 25%. Таким образом, для вычисления истинных потерь надо полученные цифры умножить в одном случае на 2, на 3 или на 4 соответственно. Истинные потери при влажности затора 81,7% составляли 4,6%, а при влажности 93,2%—2,1%. По такому же методу проводили исследование истинных потерь в условиях хлебозаводов, причем, были получены следующие данные: при выработке жидких: дрожжей по московской схеме потери сухих веществ составляли 2,6%, по поточной схеме проф. Островского — 4,3%. и по ленинградской — 5,0% к объему дрожжей.

Процесс выработки жидких дрожжей нуждается в систематическом глубоком изучении. В первую очередь необходимо изучить процесс подготовки питательных веществ для молочнокислых бактерий и дрожжей на стадиях заваривания и охлаждения заварки и при дальнейшем ее заквашивании. Эти исследования должны дать полные сведения о накоплении сахаров: мальтозы, глюкозы, фруктозы, а также пентоз и водорастворимых азотистых веществ. При исследовании процесса заквашивания заварки существенным является определение отдельных органических кислот и скорости их накопления. Эти данные необходимы для подтверждения предположения о том, что брожение, протекающее в заквашенных заторах, является гомоферментативным молочнокислым. Имеющиеся же по этому вопросу материалы свидетельствуют, что, кроме гомоферментативного молочнокислого. брожения, в заторах протекают также и другие типы брожения, в частности и гетероферментативное молочнокислое.
При исследовании необходимо проследить за изменением активной кислотности среды по всем стадиям выработки жидких дрожжей, так как на жизнедеятельность микроорганизмов — бактерий и дрожжевых клеток — влияет именно концентрация водородных ионов, а не суммарная титруемая кислотность. Наряду с этим должны быть проведены опыты по установлению кислотного оптимума для молочнокислых бактерий и дрожжей. Должны быть изучены биологические свойства дрожжевых клеток — скорость их размножения и сбраживающая способность. Должен быть также изучен вопрос о возможности регулирования активной кислотности путем добавления в заторы буферных веществ — неорганических буферных солей или органических соединений, белков, сухого молока, — а также о влиянии содержания кислорода в бродящем заторе на размножение дрожжевых клеток и их бродильную способность. В этом случае желательно применить более точные методы определения фактического содержания растворенного кислорода в жидкой среде и окклюдированного на твердых частицах затора.
Получение этих данных, которые, по существу, являются исходными для построения правильного технологического процесса, позволит обосновать схему приготовления жидких дрожжей наиболее высокого качества и с наименьшими технологическими потерями.