Процессы брожения и дыхания в технологии пищевых продуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ИМПЕРАТОРА ПЕТРА I

КАФЕДРА БОТАНИКИ, ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ, БИОХИМИИ И МКРОБИОЛОГИИ

на тему «Процессы брожения и дыхания в технологии пищевых продуктов»

Воронеж

Содержание

брожение дыхание растительный организм

Введение

Литературный обзор

Дыхание. Определение. Уравнение. Значение дыхания в жизни растительного организма

Аэробное и анаэробное дыхание

Факторы, влияющие на процесс дыхания

Брожение

Спиртовое брожение

Молочнокислое брожение

Пропионово-кислое брожение

Практическая часть

Заключение

Список литературы

Введение

Жизнь организма в целом, как и каждое проявление жизнедеятельности, необходимо связаны с расходованием энергии. Клеточное деление, рост, развитие и размножение, поглощение и передвижение воды и питательных веществ, разнообразные синтезы и все другие процессы и функции осуществимы лишь при постоянном удовлетворении обусловленных ими потребностей в энергии и пластических веществах, которые служат клетке строительным материалом.

Брожение, как и дыхание, -- это процесс, обратный ассимиляции солнечной энергии. Он связан с освобождением из углеводов энергии фотонов солнца.

Необходимую для жизнедеятельности энергию высшие животные и растения получают при дыхании, а многие микроорганизмы, в том числе и дрожи,- при брожении. Таким образом, дыхание и брожение являются основными формами важнейшего жизненного процесса - диссимиляции - расщепления усвоенной ранее энергии.

Литературный обзор

Дыхание. Определение. Уравнение. Значение дыхания в жизни растительного организма

Дыхание -- процесс универсальный. Оно является неотъемлемым свойством всех организмов, населяющих нашу планету, и присуще любому органу, любой ткани, каждой клетке, которые дышат на протяжении всей своей жизнедеятельности. Дыхание всегда связано с жизнью, тогда как прекращение дыхания -- с гибелью живого.

Источником энергии для живой клетки служит химическая (свободная) энергия потребляемых ею питательных веществ. Распад этих веществ, происходящий в акте дыхания, сопровождается освобождением энергии, которая и обеспечивает удовлетворение жизненных потребностей организма.

Сам же процесс дыхания представляет собой сложную многозвенную систему сопряженных окислительно-восстановительных процессов, в ходе которых имеет место изменение химической природы органических соединений и использование содержащейся в них энергии.

Клеточное дыхание -- это окислительный, с участием кислорода распад органических питательных веществ, сопровождающийся образованием химически активных метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.

Суммарное уравнение дыхания: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ 6СО₂ + 6Н₂О.

Данная формула характеризует начальный и конечный момент процесса дыхания. В действительности этот процесс многоступенчатый. Он состоит из целого ряда последовательно идущих окислительно-восстановительных реакций.

В качестве органических веществ, необходимых для дыхания, служат в основном углеводы, белки и жиры. Типичным соединением, окисляемым в процессе дыхания, является глюкоза. Энергетически наиболее выгодным для дыхания веществом является жир. 1 г жира при окислении до СО₂ и Н₂О дает 9,2 ккал, белки -- 5,7 ккал, углеводы -- 4 ккал. Процесс превращения исходного органического вещества до более простых и затем до СО₂ и Н₂О требует большого числа различных ферментов.

О характере протекания дыхания судят по дыхательному коэффициенту - отношению объемов выделяемого углекислого газа и поглощаемого кислорода. Если процесс аэробного дыхания происходит в точном соответствии с приведенным уравнением, то дыхательный коэффициент равняется 1.

При прорастании масличных семян, когда происходит окисление жирных кислот, бедных кислородом, и превращение жира в сахар, дыхательный коэффициент значительно меньше 1.

Высокие дыхательные коэффициенты наблюдаются при использовании на дыхание соединений, более богатых кислородом, чем сахар, например органических кислот (щавелевой, винной и др.).

Аэробное и анаэробное дыхание

Дыхание за счет кислорода воздуха называется аэробным. При отсутствии кислорода воздуха живой организм (зеленое растение, животное) не сразу умирает.

Некоторое время он живет за счет кислорода, получаемого от воды и органических веществ, имеющихся в организме. Такое дыхание называется анаэробным (бескислородным). При нем органическое вещество разлагается не до СО₂ и Н₂О, а лишь до спирта и углекислоты. Поэтому энергии выделяется значительно меньше. Анаэробное дыхание протекает по следующей суммарной формуле:

С₆Н₁₂О₆ 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 24 ккал.

Две молекулы спирта содержат потенциальную энергию, равную
650 ккал. Малое количество энергии, получаемое от анаэробного дыхания, не дает возможности организму долго существовать, и он вскоре умирает. Напомним, что энергия организму нужна для всех жизненных процессов -- роста, движения, размножения, передвижения веществ и т. д.

При аэробном (или нормальном) дыхании при окислении одной молекулы глюкозы выделяется 686 ккал, т. е. в 27 раз больше, чем в тех же условиях при анаэробном дыхании.

Факторы, влияющие на процесс дыхания

Важным фактором, влияющим на интенсивность дыхания, является температура. В определенном интервале температур возрастание интенсивности дыхания растительных объектов подчиняется правилу Вант-Гоффа: повышение температуры на 10 °С увеличивает интенсивность дыхания продукта в 2-3 раза.

На интенсивность дыхания также большое влияние оказывает газовый состав воздуха. Повышение концентрации углекислого газа и понижение кислорода сильно тормозят дыхание растительных продуктов. При понижении количества кислорода в окружающей среде до 2% и менее, а также при повышении концентрации углекислого газа в растительных объектах вместо аэробного начинается анаэробное дыхание, являющееся по существу процессом брожения. Анаэробное дыхание сопровождается накоплением ацетальдегида, спирта, которые губительно действуют на растительные ткани. Однако газовые смеси, содержащие кислород и углекислый газ в количествах 3-5% и азот в количестве 90-94%, благоприятны для хранения некоторых видов плодов и овощей. Такое хранение называется хранением в регулируемой или модифицированной газовой среде. В этих условиях происходит торможение процессов жизнедеятельности (созревания и перезревания), что позволяет значительно удлинять сроки их хранения с минимальными потерями органических веществ на процесс дыхания.

Процесс дыхания сопровождается потерей массы растительного объекта, изменением состава окружающей атмосферы, выделением влаги и тепла.

Потери массы при дыхании растительных продуктов могут достигать значительных размеров. Они особенно велики у хранящихся плодов и овощей. Выделяющиеся при дыхании тепло и влага могут быть причиной дальнейшего усиления процесса дыхания. Это происходит в том случае, когда хранящиеся объекты плохо проветриваются, для удаления накапливающейся в них влаги и понижения их температуры.

Процесс дыхания у растительных продуктов различного происхождения неодинаков. Он определяется количеством выделенного углекислого газа или поглощаемого кислорода в единицу времени единицей массы. Слабая интенсивность дыхания характерна для сухого зерна, значительно выше она у сочных плодов и овощей. Особенно возрастает интенсивность дыхания при механических повреждениях и микробиологических заболеваниях объектов.

Расходование на дыхание сахаров и других органических веществ (кислот, белков, жиров) приводит к потере сухого вещества продукта. Образующиеся спирт и углекислый газ губительно действуют на живые клетки продукта, вода может способствовать увлажнению продукта, а тепло - его согреванию (самосогреванию).

Брожение

Брожение- окислительно-восстановительный процесс, приводящий к образованию АТФ, в котором окислителем и восстановителем служат органические соединения, образующиеся в ходе самого брожения.

При брожении субстрат разлагается до конечных продуктов, причем суммарная степень окисления продуктов та же, что и степень окисления сбраживаемых веществ. Необходимость точного окислительно-восстановительного равновесия обуславливает ограничение соединений, которые могут подвергаться брожению: такие соединения не должны быть, ни слишком сильно восстановленными, ни слишком окисленными.

Брожение схематично можно представить в виде две стадии.

Первая стадия- превращение глюкозы в пируват- включает разрыв углеродной цепи глюкозы и отщепление двух пар атомов водорода. Данная стадия составляет окислительную часть брожения и может быть изображена следующим образом:

С6Н12О6> 2СН3СОСООН+[4H]

На второй, восстановительной, стадии атомы водорода используется для восстановления пирувата или образованных из него соединений. Например, при молочно кислом брожении пируват восстанавливается в лактат:

2СН3СОСООН+[4H]>2CH3CHOHCOOH

Спиртовое брожение

Спиртовое брожение- это процесс превращения в анаэробных условиях сахара в диоксид углерода и этиловый спирт:

С₆ Н₁₂О ₆ > 2СО₂ +2С₂ Н₅ ОН

Этиловый спирт - один из широко распространённых продуктов сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, которые выращивают в анаэробных условиях, подбирая соответствующие расы, обладающие необходимыми свойствами для данного производства. В результате химической реакции образуется уксусный альдегид и СО2

С02 является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а НАД Н₂ регенерируется (окисляется) в НАД.

Наряду с основным продуктом (этиловым спиртом) в небольшом количестве образуются побочные продукты - глицерин, уксусный альдегид, сивушные масла. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения

На условия спиртового брожения влияют многие факторы: химический состав сбраживаемой среды, содержание спирта, температура, наличие посторонних микроорганизмов.

Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов - сахарозу и мальтозу. Пентозы сбраживаются только некоторыми дрожжами. Дрожжи не могут сбраживать крахмал, так как они не образуют амилолитических ферментов.

Наиболее благоприятная концентрация сахара-10-15%, при 30-35% брожение прекращается. Энергией брожения называется способность определённого количества дрожжей сбраживать за определённый промежуток времени то или иное количество сахара.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре около 30°С; при температуре 45-50°C брожение прекращается в результате гибели клеток дрожжей. Снижение температуры приводит к замедлению брожения, но полностью оно не прекращается даже при температуре ниже 0°C.

Использование спиртового брожения лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина и пекарских дрожжей.

В производстве спирта используют спиртоустойчивые расы дрожжей (до 18-20% спирта). В хлебопечении используют прессованные, сухие, а также жидкие дрожжи. Хлебопекарные дрожжи должны обладать мальтазной активностью и образовывать большое количество С0₂.

В производстве этилового спирта для пищевых целей используют разное сырьё трёх основных групп: содержащее сахар ( сахарная свекла, кормовая патока, или меласса, сахарный тростник, фруктовые соки); содержащее крахмал ( картофель, земляная груша, кукуруза, ячмень, овёс, рожь, пшеница); содержащее целлюлозу( древесина и сульфитные щелока).

В зерновом и грибном солоде кроме амилаз содержатся протеолитические ферменты, вызывающие частичное превращение белков затора в растворимые азотосодержащие вещества. В результате получается жидкий сахаристый субстрат - сусло.

В полученное сусло вносят дрожжи, чаще всего применяют расы Saccharomyces cerevisiae, которые обладают высокой энергией брожения.

По окончании брожения дрожжи отделяют от сброженных заторов, а спирт отгоняют на специальных перегонных аппаратах. Получается спирт-сырец и остаётся отход производства - барда, которую используют для получения кормовых дрожжей.

Спирт-сырец используют как для технических целей, так и для дальнейшей очистки - ретефикации.

Микроорганизмы в спирт-сырец могут попадать из воздуха, сырья, аппаратуры. Ими могут быть молочнокислые бактерии и дикие дрожжи, которые способны развиваться в анаэробных условиях в присутствии спирта. Они используют питательные вещества среды, угнетают дрожжи продуктами своего обмена, при этом снижается выход спирта.

В производстве пива основным сырьем является ячменный солод. Из солода, воды и хмеля готовят пивное сусло, сусло подвергают брожению специальными видами (расами) пивных дрожжей. Это хлопьевидные дрожжи низового брожения. В процессе получения пива два периода брожения - главное (при температуре 6-10 °C дрожжи активно размножаются и интенсивно сбраживают сахар) и дображивание (сливают с дрожжевого осадка и оставляют при температуре около 1°C).

Созревшее пиво осветляют, а дрожжи удаляют путём фильтрования или центрифугирования и направляют на розлив.

В производстве вин исходным материалом служат виноградный и плодово-ягодные соки. Все соки являются хорошей питательной средой для микроорганизмов. Соки сульфитируют (обрабатывают SO₂), а затем подвергают брожению. Применяются специальные расы дрожжей для получения разных сортов вин.

Молочнокислое брожение

Молочнокислое брожение-это процесс превращения молочнокислыми бактериями сахара в молочную кислоту в анаэробных условиях. Молочнокислые бактерии обычно находятся в молоке и молочных продуктах,, на растениях, в кишечнике человека и животных, однако они не встречаются в воде и почве.

По конечным продуктам брожения молочнокислые бактерии подразделяют на 2 группы: гомоферментативные и гетероферментативные. Связи с этим существуют два вида молочнокислого брожения: гомоферментатиное и гетероферментативное. Гомоферментативное молочнокислое брожение широко применяют при изготовлении простокваш, кумыса, сквашивании сливок, получение молочной кислоты, при квашении овощей и силосовании корма

При гомоферментативном молочнокислом брожении происходит расщипление глюкозы с образованием двух молекул молочной кислоты.

Глюкоза>2 молекулы молочной кислоты+197 кДж/моль.

Молочная кислота- конечный продукт гомоферментативного брожения- образуется из ПВК:

ПВК+2Н2>молочная кислота.

Возбудителями гомоферментативного молочнокислого брожения являются бактерии, разные по форме и свойствам. Некоторые молочнокислые бактерии образуют слизь, при их развитии жидкие субстраты становятся тягучими.

Типичным представителем молочнокислых бактерий гомоферментативного молочнокислого брожения является молочнокислый стрептококк, который находится почти во всех молочных продуктах, играет важную роль в сквашивании молока и является основной составной частью микрофлоры простокваш. Чаще всего он встречается в виде коротких цепочек и диплококков.

Гетероферментативное молочнокислое брожение осуществляется Гетероферментативными молочнокислыми бактериями, которые кроме молочной кислоты образуют этиловый спирт, СО2, уксусную кислоту, ацетоин, и диацетил.

К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся гетероферментативные молочнокислые стрептококки. Ароматообразующие придают кисло-молочным продуктам приятные вкус и аромат.

Молочнокислое брожение используют при приготовлении силоса- корма для скота. Особенно велика роль молочнокислых бактерий в молочной промышленности для получения большого ассортимента молочнокислых продуктов: простокваш, сметаны, творога, йогурта, кефира, кумыса и др.

Молочную кислоту используют в консервной, кондитерской промышленности, и в производстве безалкогольных напитков.

Спонтанно возникающее молочнокислое брожение в продуктах (молоке, вине, пиве) приводит к их порче6 прокисанию, помутнению, ослизнению и др.

Пропионово-кислое брожение

Пропионово-кислое брожение вызывается пропионово-кислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium. Единственным источником энергии для них является процесс сбраживания разнообразных веществ - моносахаридов (гексоз и пентоз), молочной или яблочной кислоты, глицерина и других, которые превращаются в пропионовую и уксусную кислоты, диоксид углерода и воду. Они широко представлены в молочных продуктах, в почве.

Пропионово-кислые бактерии родственны по ряду свойств гетероферментативными молочнокислыми бактериями и часто развиваются совместно с ними.

Пропионово-кислые бактерии - это небольшие, неподвижные палочки, слегка искривлённые, не образующие спор, грамположительные, факультативные анаэробы. Они, как и молочнокислые бактерии, не встречаются в почве и водоёмах. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных, а также в молоке.

Практическое использование пропионово-кислого брожения. Оно используется для получения сыров в молочно-сыродельных производствах. Вначале казеин молока подвергают коагуляции под действием сычужного фермента, выделяемого из желудка жвачных животных. Затем сгустки отделяют от сыворотки, прессуют, выдерживают в растворе соли и оставляют для созревания.

В первую фазу созревания в сгустке казеина протекает молочнокислое брожение, при этом лактоза превращается в молочную кислоту. Затем наступает вторая фаза созревания сыров - пропионово-кислое брожение, когда сбраживается образовавшаяся молочная кислота. В результате образуются летучие кислоты - уксусная и пропионовая, придающие сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков диоксид углерода образует «глазки» в сыре. Производство сыра продолжается 2-3 месяца минимум, лучшие сорта выдерживаются почти до года. На больших сыродельческих предприятиях вместо самопроизвольного созревания сыра при участии естественной микрофлоры молока применяют специальные закваски, иногда с введением мицелиальных грибов, например P.roqueforti при производстве сыра «Рокфор».

У пропионово-кислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина В12, который накапливается внутри клеток. Эта особенность используется для промышленного получения витамина В12 на отходах производства (молочной сыворотке и др.) с добавлением кукурузного экстракта в качестве витаминов.

Пропионовую кислоту используют при хранении зерна и хлеба. В концентрации 0,5% она задерживает рост плесневелых грибов.

Зерно, обработанное слабым раствором пропионовой кислоты, не плесневеет даже при повышенной влажности. Пропионовая кислота предотвращает плесневение хлеба. Её вводят в хлеб вместе с тестом, для чего сначала готовят заквасочную культуру, в которую входят Propionibact. acidopronionici и Lactobact. brevis. Через трое суток культивирования закваски накапливается небольшое количество пропионовой, уксусной и молочной кислот. Эту закваску вносят в тесто. Она придаёт хлебу нежно-кислый вкус и предотвращает его плесневение.

Заключение

Человеком широко используется способность микробов в процессах питания и дыхания активно преобразовывать различные вещества. С помощью микроорганизмов получают ценные пищевые продукты и вещества.

Как было выяснено ранее, многие микробы способны к дыханию в среде, не содержащей свободного Кислорода. Такой тип дыхания называется брожением. Именно брожения наиболее важны в практическом отношении.

При дыхании, окисление органического вещества идет до образования воды и углекислого газа с использованием всей заключающейся в окисляемом веществе потенциальной энергии. Энергетический эффект аэробного расщепления сахаров очень велик.

При брожении не происходит полного окисления органического вещества, а поэтому и энергетический эффект брожения значительно ниже.

Важнейшим параметром пищевых продуктов является их качество, под которым понимают совокупность свойств продукта, обеспечивающих потребности организма человека в пищевых веществах, органолептические характеристики продукта, безопасность его для здоровья потребителя, надёжность в отношении стабильности состава и сохранения потребительских свойств. Основная причина порчи пищевых продуктов и большинства случаев пищевых заболеваний -- это деятельность микроорганизмов. Микробиологическая порча является главной проблемой так называемых «портящихся продуктов» -- свежих фруктов, овощей, мяса, птицы, хлебобулочных изделий, молока и соков

Список литературы

1. М. А. Занина «Физиология растений».

2. http://book.e-reading-lib.org/chapter.php/1016978/24/Bogatyrev_-_Tehnologiya_hraneniya_i_transportirovaniya_tovarov._Uchebnoe_posobie.html.

3. В.Т. Емцев, Е.Н. Мишустин «Микробиология»/.

4. Жарикова Г.Г. «Микробиология продовольственных товаров. Санитария и гигиена».

5. К.А. Мудрецова- Висс, В.П. Дедюхина «Микробиология, санитария и гигиена».

6. Источник: http://murzim.ru/nauka/biohimija/24961-glikoliz.html.

Размещено на Allbest.ru