Способ консервирования пищевых продуктов

Содержание

Введение

1. Влияние влажности среды на жизнедеятельность микроорганизмов

1.1 Понятие о водной активности субстрата

1.2 Сушка как способ консервирования пищевых продуктов

1.3 Гидрофиты, мезофиты, ксерофиты

2. Спиртовое брожение. Условия и химизм. Промышленное использование

Заключение

Список литературы

Введение

Вода - важнейший экологический фактор для всего живого на земле. Для процессов обмена веществ со средой, составляющих основу жизни, необходимо участие воды в качестве растворителя и метаболита. Так у растений вода участвует в реакциях фотосинтеза, минеральные соли поступают в растения из почвы только в виде водных растворов.

Технология сушки, как метод консервирования пищевых продуктов относится к ранней истории человеческого существования. Область применения сушильного оборудования в пищевой промышленности весьма обширна. Это и оборудование для сушки овощей, оборудование для сушки фруктов, для сушки мяса и рыбы, зелени, грибов, ягод, дрожжей, зерна, круп, макарон, отрубей и комбикормов; это и оборудование для сушки сырья фармацевтической промышленности и лекарственных трав и т. д.

По приуроченности к местообитаниям с разными условиями увлажнения и выработке соответствующих приспособлений среди наземных растений различают три основных экологических типа: гигрофиты, мезофиты и ксерофиты.

Термин брожение также используется более широко для обозначения бурного роста микроорганизмов в соответствующей среде. При использовании в этом смысле не делается различия между аэробным и анаэробным метаболизмом. Спиртовое брожение -- это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.

1. Влияние влажности среды на жизнедеятельность микроорганизмов

Влажность среды оказывает большое влияние на развитие микроорганизмов. В клетках большинства микроорганизмов содержится воды до 75-85%; с водой поступают питательные вещества в клетку и удаляются их нее продукты жизнедеятельности. Поэтому микроорганизмы могут развиваться только в субстратах, имеющих свободную воду (в капельно-жидком виде). Вода в связанной форме для них недоступна.

Рост, размножение микробов возможны только при наличии в субстрате определенного количества свободной воды. С понижением влажности субстрата в пределах, допускающих развитие микробов, интенсивность размножения их падает, а при удалении влаги из субстрата ниже определенного уровня - совсем прекращается (1, стр. 67).

Потребность во влаге у различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. Различают микроорганизмы: гидрофиты - влаголюбивые, мезофиты - средневлаголюбивые и ксерофиты - сухолюбивые. Бактерии в преобладающем большинстве - гидрофиты. Минимальная влажность среды, при которой еще возможно развитие бактерий, равна 20-30%.

В высушенном состоянии микроорганизмы, хотя и не проявляют заметно своей жизнедеятельности, но сохраняют жизнеспособность в течение более или менее длительного времени. Бесспоровые бактерии отличаются различной устойчивостью к высушиванию. Уксуснокислые и нитрифицирующие бактерии после высушивания быстро погибают, брюшнотифозные и туберкулезные бактерии, многие стафилококки и микрококки более стойки к высушиванию и могут сохраняться в сухом виде неделями и месяцами; высушенные молочнокислые бактерии сохраняют жизнеспособность в течение нескольких месяцев и даже лет.

Особенно легко переносят высушивание вегетативные клетки микробов, замороженные и высушенные в вакууме. Этот метод - леофильная сушка - в настоящее время применяется для длительного хранения культур микроорганизмов. Такие культуры годами остаются жизнеспособными, не изменяя своих свойств (3, стр. 61) .

1.1 Понятие о водной активности субстрата

Физические свойства субстратов, также как и их химические характеристики, имеют важное значение для производства качественного субстрата. Такие физические параметры субстрата как структура, влагоемкость, влажность, аэрация определяют состав и направление развития микрофлоры, а также рост мицелия культивируемого гриба.

Массу субстрата упрощенно можно рассматривать как трехфазную систему, состоящую из твердой, жидкой и газовой фазы

Твердая фаза - это сухое вещество субстрата, состоящее из частиц различного размера. Твердая фаза обеспечивает мицелий гриба питательными веществами. Важная характеристика твердой фазы - это структура. Структура определяется размерами частиц (дисперсность) и их прочностью.

Пустоты между частицами заполнены воздухом - это газовая фаза. Состав газовой фазы субстрата может сильно отличаться от состава наружного воздуха. Для развития мицелия как аэробного организма обязательно наличие в субстратном воздухе определенного количества кислорода, т.е. определенный уровень аэрации (4, стр. 78).

В увлажненном субстрате часть свободного пространства между частицами и внутри частиц заполнена водой - это водная фаза. Наличие достаточного количества жидкости в субстрате необходимо для обеспечения водой мицелия и плодовых тел грибов, состоящих на 90% из воды. Кроме того, характер питания грибов (осмотический) связан с выделением в наружную среду ферментов и поглощением всей поверхностью мицелия продуктов гидролиза, а этот процесс идет активно только в водной среде.

Твердая, газовая и водная фазы субстрата тесно связаны, и при приготовлении субстрата необходимо учитывать состояние каждой фазы. Например, в переувлажненном субстрате газовая фаза становится слишком маленькой в объеме (вытесняется водой) и уже не обеспечивает необходимого уровня газообмена или аэрации. Вследствие этого в субстрате формируются анаэробные условия неблагоприятные для развития мицелия.

Вода в субстрате находится в различном состоянии:

1) связанная химически (прочно - связанная) - до 30%;

2) сорбционная, внутриклеточная, капиллярная - 30-70%;

3) свободная - выше 70%

Для нормальной жизнедеятельности мицелия субстрат должен содержать не менее 50% воды. Природный древесный субстрат имеет влажность в пределах 35 - 50% (табл. 20). Рыхлые субстраты (отходы с/х) имеют за счет измельчения очень большую активную поверхность, которая адсорбирует воду и способствует увлажнению субстрата до уровня выше 70%. Наличие в растительном субстрате капилляроподобных структур, как соломина зерновых, также способствует удерживанию воды.

Влажность субстрата - это отношение массы воды к сырой массе субстрата, выраженное в процентах.

m_в

w = ------------x 100%

m_обр.

где m_в - масса воды, m_обр. - масса образца.

Влажность субстрата (W) определяют высушиванием навески субстрата в сушильном шкафу при температуре 105°С в течение 4 - 6 часов до постоянного веса или 10 - 15 мин. в микроволновой печи.

Влажность субстрата сказывается на урожайности. Если воды в субстрате мало, то грибы появляются только в первую волну или вторая волна очень незначительна. Если воды слишком много, то снижается выход грибов на первой и второй волне плодоношения (табл.). Избыток воды в субстрате, также как переуплотнение субстрата, может способствовать образованию анаэробных зон, что снижает продуктивность культуры.

1.2 Сушка как способ консервирования пищевых продуктов

Технология сушки, как метод консервирования пищевых продуктов относится к ранней истории человеческого существования. Принцип сушки заключается в уменьшении микробиологической активности за счет удаления свободной влаги из пищевых продуктов. Сушка приводит к уменьшению веса, а часто и объема, что очень удобно для транспортировки и существенно снижает затраты. Высушенные пищевые продукты имеют почти неограниченный срок хранения в надлежащих условиях. Эти неоспоримые достоинства выводят сушку на передний план по сравнению с другими методами консервирования (5, стр. 89).

Область применения сушильного оборудования в пищевой промышленности весьма обширна. Это и оборудование для сушки овощей, оборудование для сушки фруктов, для сушки мяса и рыбы, зелени, грибов, ягод, дрожжей, зерна, круп, макарон, отрубей и комбикормов; это и оборудование для сушки сырья фармацевтической промышленности и лекарственных трав; это также и оборудование для сушки и жарки орехов, семечек (очищенных и неочищенных), кукурузных зерен, попкорна и других продуктов; это и оборудование для сушки и производства первых и вторых блюд (каш, пюре, лапши и др.) быстрого приготовления; это и оборудование для сушки и производства закусок к пиву (кальмаров, креветок и др. морепродуктов, мяса, сыра, а также снеков, чипсов, и др.). Это, наконец, и оборудование для сушки и производства специй, панировочных смесей, начинок и многого другого.

В настоящее время существует несколько широко используемых в промышленных условиях методов сушки, однако ни один из них не может в полной мере обеспечить экономичные и высококачественные пищевые продукты. Каждый метод имеет свои собственные ограничения, как на потребление энергии, так и на качество готового продукта. Длительность технологического процесса, высокие капиталовложения на приобретение оборудования, чувствительность многих пищевых продуктов и медицинских препаратов к высоким температурам являются ограничивающими условиями, а сохранность цвета, текстуры, питательной ценности пищевых продуктов, являются критическими факторами при выборе метода обезвоживания.

Наиболее часто используемыми методами сушки являются: сублимационная сушка, сушка распылением, конвективная сушка, туннельная сушка и барабанная сушка, сушка на солнце. Сушка солнцем и сушка горячим воздухом вызывают существенные потери цвета, что значительно ухудшает потребительские свойства продукта, также наблюдаются значительные потери витамина С и ухудшается способность продукта к регидратации. Барабанная сушка, разработанная для жидких продуктов, приводит к серьезным качественным потерям, в основном из-за использования воздуха, C). Сушка распылением, часто используемая нагретого до температуры (120є - 170 для жидких продуктов, с основными ограничениями в высокой стоимости процесса и требованием относительно высокого влагосодержания подачи, для гарантии C) вызывают распыления. Распыление и высокие температуры (150є - 300 значительные потери аромата и летучих компонентов. Механическое воздействие, которому подвергается сырье вследствие распыления, делает эту технологию неприемлемой для чувствительных продуктов. К тому же очень велика вероятность окисления распыленного материала.

Так как одним из основных показателей, характеризующих качество высушенного продукта, является сохранность витаминного состава, в частности витамина С и каротина, которые наиболее чувствительны к окислению и температурному воздействию, мы приведем сводную таблицу зависимости сохранности витаминного состава при различных методах сушки.

1.3 Гидрофиты, мезофиты, ксерофиты

По приуроченности к местообитаниям с разными условиями увлажнения и выработке соответствующих приспособлений среди наземных растений различают три основных экологических типа: гигрофиты, мезофиты и ксерофиты (7, стр. 90).

Ксерофиты - это растения сухих местообитаний, способные переносить значительный недостаток влаги - почвенную и атмосферную засуху. Они распространены, обильны и разнообразны в областях с жарким и сухим климатом. К этой группе принадлежат виды пустынь, сухих степей, саванн, колючих редколесий, сухих субтропиков. В более гумидных районах ксерофиты участвуют в растительном покрове лишь в наиболее прогреваемых и наименее увлажненных местообитаниях (например, на склонах южной экспозиции).

Неблагоприятный водный режим растений в сухих местообитаниях обусловлен, во-первых, ограниченным поступлением воды при ее недостатке в почве и, во-вторых, увеличением расхода влаги на транспирацию при большой сухости воздуха и высоких температурах. Следовательно, для преодоления недостатка влаги возможны разные пути: увеличение ее поглощения и сокращение расхода, кроме того, способность переносить большие потери воды. Все это используется ксерофитами при адаптации к сухости, но у разных растений в неодинаковой степени, в связи с чем некоторые авторы различают два основных способа преодоления ксерофитами засухи: возможность противостоять иссушению тканей, или активное регулирование водного баланса, и способность выносить сильное иссушение.

В зависимости от структурных черт и способов регулирования водного режима различают несколько разновидностей ксерофитов (по Генкелю П.А.): эуксерофиты, гемиксерофиты, пойкилоксерофиты.

К группе ксерофитов относят и суккуленты - растения с сочными листьями или стеблями. Различают листовые суккуленты (агавы, алоэ) и стеблевые, у которых листья редуцированы, а наземные части представлены мясистыми стеблями (кактусы, некоторые молочаи).

Ксерофиты с наиболее ярко выраженными ксероморфными чертами строения листьев имеют своеобразный внешний облик, за что получили название склерофитов. Облик типичного склерофита легко представить на примере чертополоха - Carduus crispus и пустынных полыней, ковылей, саксаулов.

Мезофиты - эта группа включает растения, произрастающие в средних условиях увлажнения. Сюда относятся растения лугов, травяного покрова лесов, лиственные древесные и кустарниковые породы из областей умеренно влажного климата, а также большинство культурных растений.

Мезофиты - группа весьма разнообразная не только по видовому составу, но и по различным экологическим оттенкам, обусловленным разным сочетанием факторов в природных местообитаниях. Они связаны переходами с другими экологическими типами растений по отношению к воде, так что четкую границу между ними провести очень трудно. Так, среди луговых мезофитов выделяются виды с повышенным влаголюбием, предпочитающие постоянно сырые или временно заливаемые участки (лисохвост луговой - Alopecurus pratensis, бекмания обыкновенная - Beckmannia eruciformis).

Их объединяют в переходную группу гигромезофитов наряду с некоторыми влаголюбивыми лесными травами, предпочитающими наиболее сырые леса, лесные овраги (недотрога - Impatiens nolitangere). С другой стороны в местообитаниях с периодическим или постоянным (небольшим) недостатком влаги много мезофитов с теми или иными ксероморфными признаками с повышенной физиологической устойчивостью к засухе. Эта группа переходная между мезофитами ксерофитами, - ксеромезофиты. Примером могут служить многие виды северных степей, сухих сосновых боров, песчаных местообитаний: клевер-белоголовка - Trifolium montanum, подмаренник желтый - Galium verum и другие.

Особое место среди мезофитов занимают степные и пустынные весенние эфемеры и эфемероиды. К этой группе принадлежат растения, ранней весной, покрывающие степи и пустыни разноцветным цветущим ковром (многолетники - тюльпаны, гусиные луки; однолетники - маки, вероники). Это виды с чрезвычайно краткой вегетацией и длительным периодом покоя, который однолетние эфемеры переживают в виде семян, а многолетние эфемероиды - в виде покоящихся луковиц, клубней, корневищ. Кроме весенних существуют и осенние эфемероиды, произрастающие в районах с климатическим ритмом средиземноморского типа. Сюда относятся виды родов Crocus, Scilla и другие.

По многим особенностям структуры и физиологии близки к ксерофитам растения, которые по тем или иным причинам испытывают недостаток влаги, сопряженный с действием низких температур. Иногда такие виды в качестве особого подразделения включают в группу ксерофитов, иногда выделяют в самостоятельные экологические типы - психрофиты и криофиты.

Психрофиты - растения влажных и холодных почв в холодных местообитаниях высокогорий и северных широт. Несмотря на достаточное увлажнение почвы, они часто испытывают недостаток влаги (или из-за физиологической сухости, вызванной низкими температурами, или в связи с преобладанием в почве недоступной влаги, как, например, на торфянистых почвах). Среди психрофитов есть травянистые растения (например, злаки северных лугов: белоус - Nardus strikta; высокогорные кавказские злаки: овсяница пестрая -Festuka varia), высокогорные, болотные и тундровые кустарники и кустарнички, как вечнозеленые (вереск - Calluna vulgaris), так и с опадающей листвой (карликовые ивы - Salix polaris, S. herbacea).К психрофитам относятся и хвойные древесные породы умеренных и северных широт.

Криофиты в экологическом отношении очень близки к психрофитам и связаны с ними переходными формами. Это растения сухих и холодных местообитаний - сухих участков тундр, скал, осыпей. Обычно они рассматриваются и характеризуются вместе с психрофитами, поскольку у них много сходных морфологических и физиологических черт. Но среди криофитов есть и весьма своеобразные формы - это растения-подушки высокогорных холодных пустынь.

Гидрофиты - это водные растения. По образу жизни и строению среди них можно выделить погруженные растения и растения с плавающими листьями. Погруженные растения подразделяют на укореняющиеся в донном грунте и взвешенные в толще воды. Из высших растений к первым принадлежат телорез - Stratiotes aloides, шильник водяной - Subularia aquatika. В эту же группу входят водоросли, прикрепленные к грунту. Из растений, взвешенных в толще воды, можно назвать роголистник погруженный--Ceratophyllum demersum, пузырчатку обыкновенную - Utrikularia vulgaris, а также многочисленные виды планктонных водорослей.

Растения с плавающими листьями используют частично водную, частично воздушную среду. Из них укореняются в грунте кувшинки из рода Nymphaea, кубышки из рода Nuphar, рдесты, орех водяной - Trapa natans.

Многие виды наряду с плавающими на поверхности воды листьями имеют и подводные. Плавают на поверхности воды, не укореняясь, ряски, водокрас.

К настоящим водным растениям очень близко примыкает и обычно вместе с ними рассматривается группа гелофитов или амфибий - земноводных растений. Это виды береговых и прибрежных местообитаний с избыточным или переменным увлажнением. Они могут расти как в воздушной среде, так и частично погруженными в воду, могут выносить и полное временное заливание. Как в природе нет резкой границы между водными и наземными местообитаниями для растений, так и группа гелофитов связана незаметными переходами, с одной стороны, с настоящими гидрофитами, с другой - с наземными гигрофитами и гигромезофитами. Примеры гелофитов - растений прибрежной полосы пресноводных водоемов и рек: стрелолист - Sagittaria sagittifolia, ежеголовка - Sparganium ramosum.

2. Спиртовое брожение. Условия и химизм. Промышленное использование

Брожемние (тж. сбрамживание, ферментамция) -- это, в наиболее строгом смысле, анаэробный метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы, без окисления в чистом виде. Брожение не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию; оно просто позволяет продолжаться гликолизу (процесс, выходом которого на одну молекулу глюкозы являются две молекулы АТФ), восполняя восстановленные коферменты. Результатом брожения являются этанол, углекислый газ, другие продукты, а далее - молочная кислота, уксусная кислота, этилен и другие восстановленные метаболиты (4, стр. 12).

Термин брожение также используется более широко для обозначения бурного роста микроорганизмов в соответствующей среде. При использовании в этом смысле не делается различия между аэробным и анаэробным метаболизмом.

Брожение часто используется для приготовления или сохранения пищи. Говоря о брожении, обычно имеют в виду брожение сахара (превращение его в спирт) с использованием дрожжей, но, к примеру, при производстве йогурта используются другие виды брожения. Наука о ферментации называется энзимологией.

Брожение -- это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования, способного поддерживать генерацию АТФ в процессе гликолиза. Во время брожения пируват преобразуется в различные структуры. Стандартные примеры продуктов брожения: этанол (питьевой спирт), молочная кислота и водород. Однако, продукты брожения могут быть более экзотическими, такими как масляная кислота и ацетон.

Основная польза от брожения -- это превращение, например, превращение сока в вино, зерна в пиво, а углеводов в двуокись углерода при брожении хлебного теста.

По Штейнкраузу (Steinkraus; 1995), брожение пищи выполняет пять главных задач:

1. Обогащение видов пищи разнообразием вкусов, ароматов и текстуры

2. Сохранение существенного количества пищи с помощью молочной кислоты, алкоголя, уксусной кислоты и щелочного брожения

3. Биологическое обогащение пищи протеинами, важными аминокислотами, важными жирными кислотами и витаминами

4. Детоксификация в процессе брожения пищи

5. Уменьшение времени и затрат на приготовление пищи

У брожения есть несколько преимуществ, исключительных для пищи. В процессе брожения можно получать важные питательные вещества или устранять непитательные. С помощью брожения пищу можно дольше сохранять, поскольку брожение использует энергию пищи и может создать условия, неподходящие для нежелательных микроорганизмов. Например, при мариновании кислота, получаемая из доминирующей бактериеи, препятствует росту всех других микроорганизмов.

Спиртовое брожение -- это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.

Сбраживание сахаров известно с глубокой древности. В течение столетий пивовары и виноделы использовали способность некоторых дрожжей вызывать спиртовое брожение, в результате которого сахара превращаются в спирт (8, стр. 56).

Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы. В различных странах для получения спирта используют различные микроорганизмы. Например, в Европе используют в основном дрожжи из рода Saccharomyces, в Южной Америке -- бактерии Pseudomonas lindneri, в Азии -- мукоровые грибы.

Сбраживаться могут лишь углеводы, и притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).

Схематично спиртовое брожение может быть изображено уравнением

C₆H₁₂O₆ --> 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 23,5Ч10⁴ дж глюкоза --> этиловый спирт + углекислота + энергия

Процесс спиртового брожения -- многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пировиноградной кислоты происходят так же, как и при дыхании. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно). Далее пути дыхания и брожения расходятся.

При спиртовом брожении пировиноградная кислота превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Эти реакции протекают в две стадии. Сначала от пирувата отщепляется СО2 и образуется уксусный альдегид; затем уксусный альдегид присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт. Все реакции катализируются ферментами. В восстановлении альдегида участвует НАД·H₂.

Обычно при спиртовом брожении, кроме главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь которых называется сивушным маслом -- соединение, от которого зависит специфический аромат вина. Образование побочных веществ связано с тем, что превращение глюкозы частично идет другими путями.

Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.

Заключение

Влажность среды оказывает большое влияние на развитие микроорганизмов. Поэтому микроорганизмы могут развиваться только в субстратах, имеющих свободную воду (в капельно-жидком виде). Вода в связанной форме для них недоступна. Рост, размножение микробов возможны только при наличии в субстрате определенного количества свободной воды. С понижением влажности субстрата в пределах, допускающих развитие микробов, интенсивность размножения их падает, а при удалении влаги из субстрата ниже определенного уровня - совсем прекращается.

Высушенные пищевые продукты имеют почти неограниченный срок хранения в надлежащих условиях. Эти неоспоримые достоинства выводят сушку на передний план по сравнению с другими методами консервирования. В настоящее время существует несколько широко используемых в промышленных условиях методов сушки, однако ни один из них не может в полной мере обеспечить экономичные и высококачественные пищевые продукты. Каждый метод имеет свои собственные ограничения, как на потребление энергии, так и на качество готового продукта.

По приуроченности к местообитаниям с разными условиями увлажнения и выработке соответствующих приспособлений среди наземных растений различают три основных экологических типа: гигрофиты, мезофиты и ксерофиты.

Брожемние (тж. сбрамживание, ферментамция) -- это, в наиболее строгом смысле, анаэробный метаболический распад молекул питательных веществ, например глюкозы, без окисления в чистом виде. Брожение часто используется для приготовления или сохранения пищи. Спиртовое брожение -- это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.

Список литературы

1. Ботаника с основами экологии: Учеб. Пособие для студентов пед. ин-тов /Л.В. Кудряшов и др. - М.: Просвещение, 2004

2. Горышина Т.К. Экология растений. - М.: Высшая школа, 2004

3. Двораковский М.С. Экология растений. - М.: Просвещение, 2004

4. Культиасов И.М. Экология растений. - М.: Изд-во московского ун-та, 2002

5. Николаев А.Я., Биологическая химия, М., 2005

6. Мирович К. Н. Микробиология. - М., 2006

7. Пономарева И.Н. Экология растений с основами биогеоценологии. - М.: Просвещение, 2000

8. Рычин Ю.В. Флора гигрофитов. Определитель. - М.: Сов. наука, 2001

9. Строев Е.А. Биологическая химия, М., 2006

10. Стрельников Ю. В. Микробиология, М., 2007