4.5. Пищевые добавки и ингредиенты

4.5.1. Подкислители

Подкислители применяются в основном как вкусовые добавки для придания продуктам «острого» вкуса. В практику они вошли скорее всего в результате широкого использования органических кислот для сохранения пищи.

Самым популярным подкислителем в пищевой промышленности является лимонная кислота. Сначала этот важный продукт получали, отжимая сок из лимонов (в Италии): до начала 20-х годов таким путем удовлетворялось три четверти мировой потребности в лимонной кисло­те. Сегодня ее получают при участии A. niger, сбраживая мелассу и гид- ролизаты, содержащие глюкозу. Отметим, что процесс сбраживания нужно строго контролировать, так как лимонная кислота (в отличие от других вторичных метаболитов) играет важную роль в регуляции обмена веществ. При консервировании помидоров широко используют яблоч­ную кислоту; ее образует A. flavus. К числу других кислот, имеющих широкое применение в пищевой промышленности, относятся итаконовая (продуцент - A. terreus), глюконовая, используемая в форме глюконолак- тона (продуцент - A. niger), и фумаровая (виды Rhizopus).

2. Аминокислоты

Сегодня во всем мире производится более 200 ООО т аминокислот в год; их используют главным образом как добавки к кормам и пищевым продуктам. Основную часть аминокислот получают методами фермен­тации, но большее значение приобретают химический и ферментатив­ный синтез.

Главными продуктами, получаемыми по технологии ферментации, являются глутаминовая кислота (продуцент - Corynebacterium glutamicum) и D-лизин (В. flavum), в большом количестве производят еще две амино­кислоты - глицин и метионин, но до сих пор только методом химического синтеза.

2. Витамины и пигменты

Основные потребности промышленности в этих соединениях удов­летворяются за счет природных источников и химического синтеза, два из которых, (3-каротин и рибофлавин, традиционно получают методами биотехнологии. Рибофлавин образуется при глубинном культивирова­нии Eremothecium ashbyii или Ashbya gossypii

2. Усилители вкуса

Расщепляя нуклеиновые кислоты с помощью нуклеазы, образуе­мой Penicillum citrinum, в промышленном масштабе получают 5'-нуклеотиды (содержащие главным образом инозин и гуанин), кото­рые применяются как усилители вкуса. Вещества, усиливающие оттен­ки вкуса, содержатся в природных пищевых продуктах. Главным усили­телем вкуса считается натриевая соль глутаминовой кислоты: ее можно получить при помощи Micrococcus glutamicus. Пионером в использова­нии усилителей вкуса является Япония, но сам принцип применялся при создании рецептов многих блюд во всем мире.

2. Жиры и масла

Анализ перспектив использования жиров и масел, продуцируе­мых бактериями (в особенности, содержащих необычные полинена­сыщенные жирные кислоты, а потому дорогостоящих), показал, что в нынешних экономических условиях использовать эти вещества вместо жиров растительного и животного происхождения нецелесообразно.

2. Растительные клей и загустители

Натуральные растительные клеи, получаемые из камедей растений или морских водорослей, принадлежат к числу давно известных пищевых доба­вок; в Китае, например, они широко употреблялись еще в первом столетии до нашей эры, а об их использовании упоминается даже в Ветхом завете. Расти­тельные клеи относятся к группе пищевых добавок - гидроколлоидов. Их применяют для изменения консистенции пищевых продуктов: эти вещества способствуют их загущению и образованию студней. Структура пищевых продуктов при этом стабилизируется, улучшается их внешний вид и вкус.

Большое значение для этой отрасли имеет разработка промышлен­ного производства полисахаридов из Pseudomonas spp. Их предполагается использовать вместо глюкоманнозы, одного из наиболее широко применяемых загустителей. Свойства этого нового продукта детально изучены. В настоящее время в кондитерской промышленности и при производстве мороженого в качестве стабилизатора широко ис­пользуется декстран из Leuconostoc mesenteroides.

2. Подсластители

Радикального уменьшения потребления сахарозы в пище можно достичь, если использовать подсластители типа сахарина. Биотехноло­ги предлагают использовать ряд весьма эффективных продуктов. Так, из цветочного растения Thaumatococcus damelli, произрастающего в Судане, в кишечную палочку Escherichia coli был трансплантирован ген, детерминирующий синтез сверхсладкого белка тауматина. Реком- бинантная бактерия стала продуцентом сладкого белка, который про­изводят на нескольких биотехнологических заводах и применяют в пищевой промышленности в качестве искусственного подсластителя. Из южноамериканского растения Stevia rebaudiana в клетку Е. coli трансплантирован ген сладкого белка стевозида. С помощью генной инженерии или путем совмещения микробного синтеза с химической трансформацией микробных метаболитов получен ряд эффективных подсластителей (табл. 24).

Особый интерес представляет сладкий дипептид аспартам, молеку­лу которого образуют две аминокислоты - фенилаланин и аспарагиновая кислота. Обе молекулы можно синтезировать микробиологическим пу­тем, а аспартам из этих мономеров - с помощью ферментов. Повышение спроса на аспартам стимулирует производство фенилаланина и аспара- гиновой кислоты.

Таблица 24

Эффективные подсластители, полученные различными способами

Сладость по сравнению с сахарозой		Сладость по сравнению с сахарозой
Сахарин	300,0	Цикламат	50,0
Глицерин	100,0	Ацесульват К	150,0
Сорбит	0,5	Аспартам	200,0
Ксилит	1,0	Стевозид	150,0
Маннит	0,7	Тауматин	3000,0

На основе фруктозы создается новый класс подсластителей - заме­нителей сахарозы. Установлено, что фруктозилолигосахариды, в состав которых входит от 2 до 5 фруктозил-остатков, связаны по первому и вто­рому атомам углерода. Фруктозилолигосахариды не разрушаются в ор­ганизме человека, имеют сладкий вкус и безвредны. Продуцируют их микроорганизмы, содержащие фруктозилтрансферазу (представители родов Aspergillus, Fusarium, Aureobasidium). Создана биотехнологиче­ская система на основе иммобилизованных в геле альгината кальция (2 %-ного) клеток Aureobasidium pullulans. Клетки продуцента работали стабильно в течение 60 сут при температуре 50° С, рН 5,5 и скорости протока 0,05 ч~\ Содержание сахарозы в среде составляет 77%, выход фруктозилолигосахаридов - 55%. Хорошие результаты можно получать при полунепрерывном процессе конверсии сахарозы с заменой субстрата через каждые 20 ч.

4.5.8. Пищевые кислоты

Пищевыми принято называть четыре органические кислоты: ли­монную, молочную, уксусную и винную; иногда к ним причисляют яб­лочную и глутаминовую.

Уксусная кислота

Уксус, в виде прокисшего вина, был известен за 7 тыс. лет до на­шей эры, но только в 1868 г. Луи Пастер установил физиологическую природу уксуснокислого брожения, вызываемого уксусными бактерия­ми Acetobacter oxidans, A. aceti, A. xylinum и др.

Чтобы уксуснокислое брожение протекало нормально, сахар, со­держащийся в сбраживаемом субстрате, должен быть превращен в эти­ловый спирт, поэтому уксуснокислому брожению предшествует спир­товое. В производстве уксуса спиртовое брожение лучше всего осуще­ствляют селектированные штаммы винных дрожжей (например, Saccharomyces ellipsoideus), которые, помимо этанола, синтезируют по­бочные продукты метаболизма, улучшающие вкус и аромат. Уксус, по­лученный микробиологическим путем (пищевая уксусная кислота, сто­ловый уксус), как и вино, различается по сортам в зависимости от ха­рактера сбраживаемого субстрата. Известен яблочный, виноградный, грушевый и другие сорта уксуса. Уксус, полученный при брожении, имеет приятные аромат и вкус, которые обуславливают побочные про­дукты брожения: сложные эфиры (этилантат и др.), высшие спирты, органические кислоты.

Уксусная кислота стала первым микробиологическим продуктом, полученным с помощью иммобилизованных клеток. В течение длитель­ного времени применяется адсорбирование уксуснокислых бактерий на древесной стружке, древесном угле, коксе и других субстратах. Пропус­кая раствор этанола через генераторы с иммобилизованными бактерия­ми, получают 10-15 %-ный раствор уксусной кислоты. Из 100 л безвод­ного этанола теоретически должно быть получено 103 л уксусной ки­слоты. На практике выход уксуса из 100 л этанола редко превышает 90 л, что связано с переокислением и неполным окислением этанола уксуснокислыми бактериями, а также с его испарением.

Ежегодно в мире производят более 100 тыс. т уксусной кислоты (около половины получают химическим путем в виде технической уксус­ной кислоты). Уксус широко применяют в пищевой промышленности. Техническую уксусную кислоту используют для производства ацетона, ацетилена, синтетических красителей, медицинских препаратов (аспирин, антипирин, фенацетин), ароматизирующих веществ (кумарин, ванилин), а также как субстрат для микробиологической биотрансформации.

Установлено, что продуцент уксусной кислоты рода Acetobacter, развиваясь на поверхности среды, образует слизистую пленку, которая состоит из целлюлозы (90%) и клеток бактерий. Если эту пленку снять, высушить и соответственно обработать, можно получить достаточно прочные биопленки медицинского назначения. Если ожоговые раны покрыть такими биопленками, они заживают в течение 7-8 сут.

Ферментацию сахарозных сред реализуют в две стадии. На первой стадии при помощи дрожжевой инвертазы получают инвертный сахар, на второй с помощью Acetobacter xylinum - уксусную кислоту. Вторая стадия длится 60 ч, за это время углеводы (их содержится до 6%) сбра­живаются, рН снижается до 2, и на поверхности жидкой фазы форми­руется целевой продукт - биопленка.

Лимонная кислота

В природе это вещество встречается довольно часто, главным об­разом - в незрелых плодах цитрусовых, ананасов, груш, инжира, брус­ники, клюквы и др. Лимоны и апельсины были главными источниками естественной (растительной) лимонной кислоты, которую производили преимущественно в Италии, где в середине XIX в. начали действовать первые заводы по производству кристаллической лимонной кислоты. Затем аналогичные заводы начали действовать в Калифорнии (США), на Гавайских островах и в Вест-Индии.

Для получения лимонной кислоты путем микробного синтеза в ла­бораторных условиях использовали микромицеты (Aspergillus clavatus, Penicillium luteum, Penicillium citricum, Mucor piriformis, Ustina vulgaris и др.), но для промышленного биосинтеза наиболее подходящим оказался Aspergillus niger. Впоследствии, путем селекции, на его основе было получено множество производственных штаммов для биосинтеза ли­монной кислоты из сахарозы.

Многие органические вещества сбраживаются микромицетами и могут быть трансформированы в лимонную кислоту, но максимальный выход достигается при биосинтезе из сахарозы или фруктозы. В по­следнее время успешно завершены эксперименты по биосинтезу лимон­ной кислоты дрожжами (Candida lipolytica и др.) из парафинов и низших спиртов (этанола) с высоким выходом (80-140%).

По объему производства лимонная кислота является одним их главных продуктов микробного синтеза. Ее общий выпуск в различных странах достигает 400 тыс. т в год. Лимонную кислоту получают в ос­новном из мелассы. Заводы небольшой или средней мощности произво­дят лимонную кислоту поверхностным методом культивирования. Глу­бинный метод экономически выгоден тогда, когда мощность завода превышает 2500 т лимонной кислоты в год.

Лимонную кислоту широко используют в кулинарии и в пищевой промышленности для приготовления безалкогольных напитков, марме­лада, вафель, пастилы и др. Лимонная кислота включена в рецептуру некоторых сортов колбас и сыра, ее применяют в виноделии, для рафи­нирования растительных масел, для производства сгущенного молока. С помощью лимонной кислоты сохраняются естественный вкус и аромат при длительном хранении в замороженном виде мяса и рыбы.

При умеренном потреблении лимонная кислота стимулирует дея­тельность поджелудочной железы, возбуждает аппетит, способствует усвоению пищи.

Натриевые соли лимонной кислоты стимулируют вспенивание и механическую устойчивость пены, поэтому лимонную кислоту ценят кулинары, ее также применяют для изготовления шампуней и моющих средств. Последнее имеет важное экологическое значение, так как ли­монная кислота и ее соли легко поддаются микробиологической дегра­дации при очистке канализационных вод.

Молочная кислота

Эта кислота всегда присутствует в кислом молоке и, в виде побоч­ного продукта, при получении уксусной и лимонной кислот.

Молочнокислые бактерии трансформируют в молочную кислоту самые разные углеводы, поэтому для ее промышленного получения ис­пользуют глюкозу, мальтозу, сахарозу, лактозу, осахаренный крахмал. После выбора субстрата подыскивают подходящий продуцент. Для сбраживания глюкозы или мальтозы обычно применяют штаммы Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus leichmannii, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus lactis. При использовании Lactobacillus bulgaricus или Lactobacillus casei при сбраживании мальтозы выход мо­лочной кислоты выше.

В СССР производство молочной кислоты из крахмала было орга­низовано в 1923 г. под руководством В. Н. Шапошникова на основе се­лекционированных штаммов Lactobacillus delbrueckii. Сейчас молочную кислоту получают из мелассы в количестве примерно 90 т в год.

Молочную кислоту используют в пищевой промышленности для приготовления кондитерских изделий, в медицинской промышленности, в производстве пластмасс и в других отраслях народного хозяйства.

Другие органические кислоты

Винная кислота в свободном виде или в виде солей часто встре­чается в природе. Она входит в состав многих плодов и овощей, выде­ляется в виде кальциевых солей при изготовлении вин. Винную кисло­ту можно получать путем микробного синтеза. Для этого разработаны эффективные технологические приемы, однако до сих пор винную кислоту выгодно получать химическим путем из винного камня.

Винную кислоту применяют в пищевой, кожевенной и текстильной промышленности, медицине.

Первые заводы по производству винной кислоты химическим пу­тем были построены в Одессе и Риге, и начали давать продукцию еще в 1890 г.

Все большее значение в экономике (в частности - в медицине) приобретает яблочная кислота. Она содержится во фруктах. Яблочную кислоту применяют в органическом синтезе (например, в синтезе ура- цила). Ее получают путем химического синтеза из малеиновой кислоты, но возрастающий спрос на яблочную кислоту стимулировал разработку способов ее микробиологического синтеза.

В 1929 г. японский микробиолог С. Киносита выделил из соленых слив новый вид микромицетов Aspergillus itaconicus, который синтези­ровал сравнительно редко встречаемую органическую кислоту - итако- новую. С 1944 г. с помощью итаконовой кислоты стали производить синтетические волокна, была разработана технология микробного син­теза итаконовой кислоты с использованием Aspergillus terreus.