ЗАКВАСОЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ И ИХ ПРОИЗВОДСТВО

Бактериальные культуры, известные как закваски, используются в производстве йогуртов, кефира и других кисломолочных продуктов, а также в маслоделии и сыроделии. Закваску вносят в продукт и позволяют развиваться в нем в контролируемых условиях. В процессе проходящей таким образом ферментации бактерии образуют вещества, которые придают кисломолочному продукту его характерные свойства, такие как кислотность (рН), вкус, аромат и консистенция. Снижение pН, происходящее при ферментациибактериямилактозыдомолочнойкислоты, оказывает консервирующее действие на продукт, одновременно улучшая питательную ценность и усвояемость.

Кисломолочные бактерии

Zoom

Рис. 10.1

Бактерии в йогурте Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus (ниже

Кисломолочные бактерии в природе можно встретить на растениях, но некоторые разновидности встречаются в особенно больших количествах там, где присутствует молоко. Другие присутствуют в кишечнике животных. Эта группа включает как бациллы, так и кокки, способные создавать цепочки различной длины, но никогда не образующие споры.

Кисломолочные бактерии являются факультативно анаэробными. Их основная часть погибает при нагревании до 70 °C, хотя для некоторых требуется более высокая температура – 80 °C.

В качестве источника углерода кисломолочные бактерии предпочитают лактозу. Они ферментируют лактозу, и получается молочная кислота. Ферментация может быть чистой и с примесями, то есть конечный продукт может или практически полностью состоять из молочной кислоты, или в нем могут присутствовать другие вещества, такие как уксусная кислота, диоксид углерода и этанол (гетероферментативное брожение).

Ферментативная активность может быть различной в зависимости от штамма. Большая часть кисломолочных бактерий вырабатывает от 0,5 до 1,5 % молочной кислоты, хотя у некоторых штаммов выход может достигать 3 %.

Кисломолочным бактериям для роста необходимы соединения органического азота. Они получают их из казеина молока, расщепляя его при помощи ферментов, расщепляющих белки. Однако способность расщеплять белки у разных штаммов может очень сильно отличаться.

Наиболее важные типы кисломолочных бактерий, используемых в молочной промышленности, приведены в таблице 10.1, которая также содержит основные данные об упомянутых штаммах. Некоторые широко распространенные штаммы мезофильных кисломолочных бактерий были недавно переименованы с появлением родового наименования Lactococcus (Lc. – лактококк) вместо Streptococcus (Sc. – стрептококк). Таким образом, Sc. lactis, cremoris и diacetylactisтеперь сталиLc. lactis, cremoris и diacetylactis соответственно.

Кисломолочные продукты и сыры имеют различные характеристики, поэтому при их производстве используют различные культуры заквасок. Культуры заквасок могут быть классифицированы в соответствии с оптимальным температурным интервалом роста:

• мезофильные бактерии – оптимальная температура роста от 20 до 30 °С;
• термофильные бактерии – оптимальная температура роста от 40 до 45 °С. 

Заквасочные культуры могут быть:

• одноштаммовыми, содержащими только один штамм бактерий;
• полиштаммовыми, то есть смесью различных штаммов, каждый из которых влияет по-своему.

Мезофильные микроорганизмы могут в свою очередь быть разделены на О, L, D и LD-культуры. В таблице 10.2, воспроизведенной из «Технологии сыроварения» (Technology of Cheesemaking) автора Барри А. Ло (Barry A. Law), перечислены новые и старые названия различных заквасочных культур.
Некоторые штаммы Str. diacetylactis являются настолько активными кислотообразователями, что могут быть самостоятельно использованы как кислотообразующие микроорганизмы, но чаще их используют вместе с бактериальными культурами Str. cremoris/lactis. Однакокультуру Leuc. citrovorum нельзя использовать в чистом виде, поскольку рост Leuc. citrovorum в молоке обусловлен присутствием питательных веществ, вырабатываемых Str. lactis или Str. cremoris. В отсутствии вырабатывающих кислоту бактерий рост Leuc. citrovorum в молоке значительно замедляется, и в таких условиях они не могут вырабатывать ароматические вещества.
Такие характеристики бактерий, как оптимальная температура роста и солеустойчивость, очень важны при подборе состава культуры. Назначение штаммов в составе культуры состоит в получении нужного результата в симбиозе, а не в конкуренции между штаммами. Следовательно, их характеристики вэтих отношениях должны дополнять другдруга. Втаблице 10.1 перечислены основные данные для наиболее важных культур микроорганизмов.
Молочные заводы обычно покупают готовые смеси заквасок – промышленные культуры – у специальных лабораторий. Эти лаборатории уделяют большое внимание исследованиям и разработкам составов специальных культур для каждого продукта, например масла, сыра и широкого ряда кисломолочных продуктов. Таким образом, молочные заводы могут получать культуры, обладающие свойствами, подобранными для определенных характеристик продукта, таких кактекстура, вкус и вязкость.

Молокозаводы могут покупать промышленные культуры в различном виде:

• в состоянии глубокой заморозки высококонцентрированные культуры в растворимой форме для прямого посева в продукт; 
• ублимированныеконцентрированные культурыввидепорошкадляпрямогопосева в продукт;
• в состоянии глубокой заморозки; концентрированные культуры для получения производственной закваски;
• сублимированные концентрированные культуры в виде порошка для получения производственной закваски;
• в жидком виде для получения маточной закваски (в настоящее время довольно редко).

Высококонцентрированные культуры прямого внесения называются DVS или DVI.

Стадии культивирования

В последние годы концентрированные закваски в основном использовались для непосредственного изготовления производственной закваски (см. рис. 10.2). Эта система использовалась в производстве сыра, например там, где требуются большие объемы культуры. Однако большинство культур основано на особых высококонцентрированных культурах, которые можно использовать непосредственно в производстве без дальнейшего культивирования на молочном предприятии.

Некоторые молочные предприятия все еще на основе материнской закваски поэтапно культивируют свои собственные производственные закваски, как это показано на рис. 10.3.

Процесс состоит не менее чем из двух этапов. На разных стадиях культивирования культуры известны под следующими названиями:

• коммерческая закваска, базовая закваска – исходная культура, которую молокозаводы покупают у лаборатории;
• материнская закваска – эта закваска приготавливается из базовой культуры на молочном заводе. Материнская закваска готовится ежедневно и является, как указывает ее название, исходной для всех заквасок, приготавливаемых на молочном заводе;
• промежуточная закваска – промежуточный этап производства больших объемов производственной закваски;
• производственная закваска – закваска, используемая в производстве.

Zoom

Рис. 10.2

Производственная закваска, приготавливаемая из сублимированной или замороженной промышленной закваски

Zoom

Рис. 10.3

Этапы производства заквасок

1. Коммерческая закваска
2. Материнская закваска
3. Промежуточная закваска
4. Производственная закваска

Производственная технология

Производство заквасок является одним из наиболее важных, а также самых трудных процессов на молочном заводе. Технологический сбой может привести к большим финансовым потерям, так как современные молокозаводы перерабатывают большие объемы молока.
Поэтому большое внимание следует уделять технологии производства и выбору производственного оборудования. Производство заквасок требует соблюдения строжайших гигиенических стандартов. Риск попадания через воздух дрожжей, плесеней и бактериофагов следует свести к абсолютному минимуму. Молокозаводы, продолжающие готовить собственные производственные закваски, должны производить свои материнские закваски в отдельном помещении, обеспечиваемом отфильтрованным воздухом под давлением, несколько более высоким, чем обычное атмосферное давление. Системамойкиоборудования должна также быть тщательно продумана, чтобы предотвратить соприкосновение остатков моющих и стерилизующих средств с заквасками и их порчу.
Изготовление промежуточной и производственной заквасок может выполняться на месте производства или в том же самом помещении, где приготавливается материнская закваска. Использование высококонцентрированных культур снижает риск повторного инфицирования, так как требуется меньшее число ручных операции. А это, естественно, означает, что добавление высококонцентрированной закваски должно осуществляться в асептических условиях.

Этапы процесса

Процесс, показанный на рис. 10.4, в принципе одинаков для производства материнской, промежуточной и производственной заквасок.

Он состоит из следующих стадий:

• тепловая обработка среды;
• охлаждение до температуры заквашивания;
• внесение закваски;
• инкубация;
• охлаждение готовой закваски;
• хранение закваски.

Обезжиренное молоко – это питательная среда, наиболее часто используемая для производства заквасок, а другим вариантом является восстановленное обезжиренное молоко с содержанием сухих веществ 9–12 % (СВ), полученное из высококачественного сухого обезжиренного молока.

Причина использования свежего или восстановленного обезжиренного молока заключается в том, что нарушение вкуса закваски в таких случаях заметить гораздо легче. Нанекоторых молочных заводах также используется свежее молоко, полученное от некоторых хозяйств.

Питательная среда с постоянным составом, такая как восстановленное обезжиренное молоко без антибиотиков, является более надежной, чем обычное обезжиренное молоко.

Питательную среду также можно изменить, добавив стимуляторы роста, такие как Mn2+ (марганец), например: 0,2 мг MnSO4 на литр закваски, что, как предполагается, способствует росту Leuc. mesenteroides subsp. cremoris. Фаго-ингибирующая питательная среда (ФИС) является альтернативой для производства одноштаммовых и полиштаммовых заквасок. Эти питательные среды содержат фосфаты, цитраты или другие хелатообразующие агенты, которые переводят Са2+ (кальций) в связанную форму. Смысл этого состоит в том, что большинству фагов для размножения необходим Са2+. Удаление Са2+ из среды защищает кисломолочные бактерии от заражения и, таким образом, позволяет избежать снижения активности заквасок. На некоторых рынках присутствует сухое обезжиренное молоко с добавлением ФИС. Также на рынке есть закваски, устойчивые к фагам.

Zoom

Рис. 10.4

Блок-схема производства заквасок

ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА СРЕДЫ

Первым этапом производства заквасок является тепловая обработка питательной среды. Ее нагревают до 90–95 °С и выдерживают при этой температуре от 30 до 45 минут. Эта тепловая обработка улучшает свойства питательной среды посредством:

• уничтожения бактериофагов;
• устранения ингибирующих веществ;
• частичного расщепления белка;
• удаления растворенного кислорода;
• уничтожения изначально присутствующих микроорганизмов.

ОХЛАЖДЕНИЕ ДО ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАКВАШИВАНИЯ

После тепловой обработки питательную среду охлаждают до температуры заквашивания, которая зависит от типа используемых культур бактерий. Важно, чтобы поддерживались температуры, рекомендованные производителем промышленнойкультуры, или эмпирически определенные оптимальные температуры.
При культивировании полиштаммовых культур даже небольшие отклонения оттребуемой температуры инкубации могут благоприятствовать росту одного штамма в ущерб другому (другим), что приводит к изменению типовых характеристик конечного продукта. На рис. 10.6 показано, что происходит, когда культивирование закваски для йогурта происходит при постепенном повышении температуры.
Температурные границы для культивирования составляют от 20–30 °С для мезофильных типов бактерий и 42–45 °С для термофильных типов.

ЗАКВАШИВАНИЕ

Для заквашивания определенное количество бактериальной культуры переносится в термообработанную питательную среду, после того как температура достигла нужного уровня. Чтобы предотвратить отклонения в развитии микроорганизмов закваски, очень важно, чтобы дозировка закваски, температура культивирования и время сквашивания были постоянными на всех стадиях: материнская закваска, промежуточная закваска и производственная закваска.
Количество используемой закваски также может влиять на соотношение в ней бактерий, которые вырабатывают молочную кислоту и ароматические соединения. Изменение вносимого количества закваски может впоследствии вызвать изменение свойств продукта. Каждый производитель должен определить оптимальные практические условия, соответствующие конкретному процессу его производства. Нарис. 10.5 показано, как количество используемой для заквашивания культуры влияет на процесс нарастания кислотности в продукте. На графиках представлены дозировки 0,5 % и 2,5 % соответственно.Температура сквашивания в обоих случаях составляет 21 °С.

Zoom

Рис. 10.5

Кривые кислотообразования при заквашивании с помощью мезофильной культуры в количестве 0,5 % и 2,5 % и инкубации при 21 °С

ИНКУБАЦИЯ

После того как произошло заквашивание и закваска была смешана с питательной средой, бактерии начинают размножаться – начинается инкубация. Время инкубации определяется типами бактерий закваски, дозой вносимой закваски ит. д. и может составлять от 3 до 20 часов. Очень важно тщательно контролировать температуру и исключить любой контакт закваски с загрязнениями.
Во время инкубации бактерии быстро размножаются и сбраживают лактозу до молочной кислоты. Закваска, содержащая ароматообразующие бактерии, также будет вырабатывать ароматические вещества, такие как диацетил, уксусная и пропионовая кислоты, кетоны и альдегиды, спирты, эфиры и жирные кислоты, а также двуокись углерода.
Важность выбора корректной температуры инкубации иллюстрируется графиком на рис. 10.6., относящимся к йогуртовой закваске. Эта культура содержит два штамма микроорганизмов, Str. thermophilus и Lb. bulgaricus, которые сосуществуют в симбиозе и совместно вырабатывают нужные характеристики йогурта, такие как рН, вкус, аромат и консистенция. Большинство типов йогурта имеет соотношение кокков и бацилл от 1:1 до 2:1. Нельзя допускать, чтобы количество бацилл достигло верхнего предела, так как тогда вкус станет слишком кислым.
Пример развития Str. thermophilus и Lb. bulgaricus и вызванного этим образования ароматов показан на рис. 10.7.
В этом контексте можно упомянуть, что уксусный альдегид признан (Питт и Лолкема, 1950 г.; Шульц и Хингст, 1954 г.) в качестве основного вкусового компонента йогурта. Основным производителем уксусного альдегида является Lb. bulgaricus, хотя разные штаммы этой бактерии демонстрируют серьезные различия. При совместном выращивании Str. thermophilus и Lb. bulgaricus интенсивность образования уксусного альдегида значительно больше, чем при культивировании чистой культуры Lb. bulgaricus (Ботацци и др., 1973 г.).

Таким образом, симбиотическая взаимосвязь между этими видами благотворно влияет на образование уксусного альдегида при производстве йогурта. При производстве йогурта образование уксусного альдегида не будет заметно, пока не будет достигнут определенный уровень кислотности – рН 5,0. Оно достигает максимума при рН 4,2 и стабилизируется при рН 4,0 (А. И. Тамим и Р. К. Робинсон. «Йогурт – наука и технология»).

Оптимальный вкус и аромат йогурта обычно получают при содержании уксусного альдегида от 10 до 25 ppm и значении рН от 4,40 до 4,00.

Одним из факторов, отрицательно влияющих на соотношение кокков и бацилл, является температура инкубации. При 40 °С это соотношение составляет около 4:1, в то время как при 45 °С оно примерно равно 1:2 (см. рис. 10.6). Для достижения соотношения «кокки-бациллы » 1:1 оптимальнаятемпература заквашивания (и инкубации) при производстве йогурта составляет приблизительно 43 °С при дозе вносимой закваски инокуляции 2,5–3 % и времени инкубации 2,5–3 часа.

За время инкубации очень важно, чтобы лица, ответственные за производство, регулярно проверяли состояние кислотности, а также осуществляли другие процедуры, обеспечивающие получение оптимальных результатов.
Бережное обращение со всеми заквасочными культурами является очень важным аспектом производства кисломолочных продуктов, и эту работу всегда должен выполнять квалифицированный персонал.

Zoom

Рис. 10.6

Влияние температуры инкубации на соотношение кокков и бацилл при постоянной дозе вносимой закваски и продолжительности инкубации

Zoom

Рис. 10.7

Рост Str. thermophilus и Lb. bulgaricus с достигнутым уровнем формирования аромата при введении закваски в количестве 2,5 %. Кривые построены по данным Chr. Hansen A/S

ОХЛАЖДЕНИЕ ЗАКВАСКИ

Охлаждение начинается при достижении эмпирически определяемого значения кислотности для прекращения роста бактерий и, таким образом, для сохранения активности закваски на высоком уровне. На рис. 10.8 показан ход развития обычной закваски, образующей молочную кислоту, доза внесенной материнской закваски составила 1 % при температуре 20 °С.
Охлаждение до 10–12 °С часто практикуют, когда закваска будет использована в течение ближайших 6 часов. Если закваску нужно сохранить на более длительный срок, рекомендуется охладить ее приблизительно до 5 °С.
При массовом производстве или производстве в течение более чем одной смены удобнее готовить закваску с регулярным интервалом, скажем, каждые 4 часа. Это означает, что активные заквасочные культуры будут в наличии все время, облегчая выполнение предписанного графика производства и обеспечивая постоянно высокое качество конечного продукта.

Zoom

Рис. 10.8

Рост бактерий, вырабатывающих молочную кислоту, с охлаждением и без охлаждения в конце инкубации

ХРАНЕНИЕ ЗАКВАСОК

Значительный объем исследовательских работ связан с поиском наилучшего способа обработки закваски с целью сохранения ее активности во время хранения. Одним из таких способов является замораживание. Чем ниже температура, тем лучше сохраняется культура. Замораживание в среде жидкого азота дотемпературы -160 °С и хранение при температуре ниже -45 °C отлично сохраняет закваску.
Современные формы культур заквасок, концентрированные, в состоянии глубокой заморозки или после сублимационной сушки (лиофилизированные), можно хранить в течение значительного времени при условии соблюдения рекомендаций производителей.
В таблице 10.3 даны рекомендации, представленные Chr. Hansen A/S, Hørsholm, Дания.
Следует отметить, что культуры, подвергнутые глубокой заморозке, требуют более низких температур хранения, чем лиофилизированные культуры. Более того, первые поставляются в изолированных ящиках из полистирола, упакованными в сухой лед, и время транспортировки не должно превышать 72 часа. Последние же, напротив, можно перевозить притемпературах до 20 °С в течение не более 10 дней без сокращения установленного срока годности при условии, что они хранятся при рекомендованной температуре после доставки к покупателю.

Внесение высококонцентрированных культур

Глубоко замороженные культуры или культуры после сублимационной сушки должны переноситься в ферментационные танки или сырные ванны с соблюдением гигиенических норм. Часто культуры закваски добавляются непосредственно в танк через смотровой люк. Однако открывание танка для подобной процедуры добавления увеличивает риск повторного заражения продукта. Этот риск можно уменьшить, например, повысив давление в танке, но есть другие альтернативные методики внесения заквасок.

Внесение закваски, встроенное в линию

Сверхконцентрированные закваски можно вносить непосредственно в поток молока перед его поступлением в инкубационный танк. Обводная линия, содержащая небольшой контейнер, подсоединяется к молокопроводу, как показано на рис. 10.9. В контейнер загружается глубоко замороженная культура или культура после сублимационной сушки в количестве, необходимом для сквашивания одного инкубационного танка. Когда оператор принимает решение внести закваску в танк при заполнении молоком, он активирует клапаны на обводной линии, и культура с молоком попадает в танк. После внесения закваски в танк обводную линию моют и стерилизуют. В контейнер после этого снова загружают закваску для внесения во второй инкубационный танк. Этот небольшой контейнер может быть встроен в стерильный воздушный шкаф для снижения риска повторного заражения.

Zoom

Рис. 10.9

 Внесение сублимированной культуры в технологическом режиме

1. Емкость с культурой
2. Контейнер для смешивания
3. Противосмесительные клапаны

Автоматическая система внесения (aisy)

На молокозаводах или сыроварнях при необходимости внесения закваски в большое число танков используется специальная система внесения AISY, разработанная совместно компанией Chr. Hansen, производителем заквасок, и Tetra Pak. Система AISY соединяет преимущество высококонцентрированных культур с системой автоматического внесения. Эта система показана на рис. 10.10. Высококонцентрированная культура переносится в промежуточную емкость и разбавляется холодной водой. После нескольких минут перемешивания разведенная культура может быть внутрипоточно добавлена к потоку молока или автоматически перекачена в танк ферментации или сырную ванну для сквашивания молока.

Zoom

Рис. 10.10

Система внесения AISY, используемая при производстве сыра

1. Емкость с культурой
2. Танк для смешивания
3. Датчик массы
4. Насос подачи
5. Танк для приготовления сыра