Консерванты – вещества, используемые для сохранения различных продуктов питания физиологически полноценными и пригодными для практического применения в течение длительного срока. Их применяют для замедления или предотвращения нежелательных изменений пищевых и технических продуктов биологического происхождения, вызываемых микроорганизмами – бактериями, грибами, дрожжами.

Эффективность и способы применения консервантов зависят от их химической природы, концентрации, рН среды. Многие консерванты более эффективны в кислых средах, для снижения рН среды иногда добавляют подкислители – пищевые кислоты. При низкой концентрации отдельных консервантов они могут использоваться микроорганизмами в качестве дополнительного источника углерода и таким образом способствовать размножению этих микроорганизмов.

К консервантам пищевых продуктов предъявляют следующие основные требования:

• широкий спектр действия; эффективность действия против микроорганизмов, присутствующих в данной пищевой системе; содержание в продукте в течение всего срока хранения; замедление образования токсинов; отсутствие влияния на органолептические свойства пищевого продукта; технологичность и низкая стоимость;
• консервант не должен быть физиологически опасным; вызывать привыкание; реагировать с компонентами пищевой системы; создавать экологические и токсикологические проблемы в ходе технологического потока; влиять на микробиологические процессы, предусмотренные данной технологией при производстве отдельных пищевых продуктов.

Все консерванты делят на две группы: химического и биологического происхождения.

17.1. ХИМИЧЕСКИЕ КОНСЕРВАНТЫ

Применение химических консервантов ограничивается тем, что они оказывают отрицательное воздействие на организм человека и животных, поэтому их вводят в пищевые продукты в концентрациях, безопасных для потребителей.

В пищевой промышленности химические консерванты применяют главным образом в сочетании с нагреванием, замораживанием, сушкой, облучением и т. д. При этом они должны сохранять свое действие на микроорганизмы.

Консерванты оказывают на клетки микроорганизмов тормозящее развитие действие. Оно может быть обратимое (бактериостатическое или фунгистатическое) или необратимое (бактерицидное или фунгицидное), вследствие чего клетки погибают.

За редким исключением бактерии могут развиваться в средах с рН 4,2–9,4, дрожжи развиваются в более узком диапазоне (рН 4–6,8), а плесневые грибы – в более широком (рН 1,2–11,1).

Многие консерванты кислотного типа более эффективны при низких значениях рН, поскольку большая их часть находится в недиссоциированной форме. Благодаря этому молекулы кислоты могут проникать в клетку микроорганизма, в то время как проникновение ионов в клетки невозможно или едва возможно.

Все методы повышения стойкости пищевых продуктов с помощью химических консервантов имеют свои преимущества и недостатки. К недостаткам относится ухудшение вкуса и снижение пищевой ценности продуктов. Например, сернистая кислота может в значительной степени разрушать витамин B₁. Некоторые консерванты способны скрывать истинное качество продукта, например муравьиная кислота «маскирует» некачественность мясных продуктов. Поэтому консерванты подобного типа в большинстве стран запрещены.

Жирные кислоты, содержащие от 1 до 14 атомов углерода, – эффективные ингибиторы плесеней, например, пропионовая кислота и ее натриевая и калиевая соли предотвращают плесневение хлеба, хлебобулочных и других выпеченных изделий.

Бензойная кислота – сильный антисептик, особенно по отношению к дрожжам и грибам, в меньшей степени – по отношению к бактериям, но она плохо растворяется в воде, что затрудняет ее использование для консервирования. Поэтому используют ее хорошо растворимую соль – бензоат натрия (по антисептическому действию аналогичен кислоте) в виде 5%-го раствора, но конечная концентрация его должна быть не более 0,12 %. Этот антисептик действует лишь в кислой среде при рН 2,5–3,5 и пригоден только для консервирования высококислотных плодов и ягод. Бензоат натрия нелетуч, его, в отличие от диоксида серы, вносят в горячие продукты, например в пюре.

Сорбиновая кислота в небольших концентрациях безвредна, не придает продуктам привкусов и запахов и не изменяет их естественный вкус и аромат. В организме человека она полностью окисляется до СО₂ и Н₂О. Антисептическое действие сорбиновой кислоты в значительной степени проявляется по отношению к дрожжам и грибам, в то время как бактериальную микрофлору она почти не угнетает. Консервирующее действие проявляется в концентрациях 0,05–0,1 %. Ее натриевая и калиевая соли хорошо растворимы и эффективны для консервирования овощей.

Сернистая кислота обладает значительным преимуществом перед другими консервантами – высокой антисептической активностью. Сернистая кислота легко окисляется в растворах, что приводит к изменению окислительно-восстановительного потенциала. Нарушение жизненных функций микроорганизмов вызывается тем, что сернистая кислота вступает в соединение с промежуточными продуктами их жизнедеятельности и ферментами. Все это приводит к глубокому нарушению обмена веществ и гибели микробной клетки, особенно молочнокислых и уксуснокислых бактерий. Дрожжи в несколько раз устойчивее бактерий к сернистой кислоте.

Экспериментально установлено, что наилучшие концентрации диоксида серы для плодов, ягод, всех видов пюре и соков 0,1–0,2 %.

Для консервирования плодовых соков с целью их последующего использования в производстве безалкогольных напитков применяют этиловый спирт в дозировке не менее 16 об. %.

17.2. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНСЕРВАНТЫ

Особую группу пищевых добавок, замедляющих порчу пищевых продуктов, представляют антибиотики и другие продукты метаболизма микроорганизмов. Применение антибиотиков позволяет продлить срок хранения пищевого сырья и некоторых видов пищевых продуктов в 2–3 раза. Обычно антибиотики применяют для обработки свежих растительных продуктов путем их погружения в раствор антибиотика на короткий срок или орошения поверхности пищевого продукта раствором различной концентрации.

Однако использование антибиотиков человеком вместе с пищей может привести к нежелательным последствиям, в том числе к нарушению нормального баланса микроорганизмов желудочно-кишечного тракта.

Низин C₁₄₃H₂₃₀O₃₇S₇ – один из немногих антибиотиков, разрешенный в небольших дозах для использования в пищевой промышленности. Он быстро разрушается ферментами пищевого тракта до аминокислот.

Использование низина позволяет получать пищевые продукты высокого качества с длительным сроком хранения. Обработка их сведена к минимуму, однако они не подвержены быстрой порче и не представляют опасности для здоровья человека. Минздравсоцразвития РФ разрешено применение низина в пищевой промышленности при изготовлении плавленых сыров, овощных продуктов, соков, грибов и консервированных супов, а также в хлебопечении.

Низин – антибиотик полипептидного типа с молекулярной массой около 7000. В его состав входят аминокислоты: лизин, гистидин, аспарагиновая кислота, лантионин, β-метиллантионин, пролин, глицин, аланин, валин, метионин, изолейцин, лейцин, дегидроаланин и β-метилдегидроаланин. Характерная особенность низина – наличие в его составе двух серосодержащих аминокислот: лантионина и β-метиллантионина, редко встречающихся в природе. В каждой молекуле низина содержится два остатка лантионина и восемь – β-метиллантионина.

По химической структуре низин представляет собой два спаренных кольца, каждое из которых состоит из 13 атомов, в том числе одного атома серы:

Антибактериальное действие низина обусловлено особенностями его химического состава и структуры. Отечественная промышленность выпускает препараты низина в виде сухого мелкого порошка. В таком виде при температуре 18...22 °С низин сохраняет активность в течение нескольких лет.

Низин продуцируется штаммами Lactococcus lactis, которые широко распространены в природе. По сравнению с другими антибиотиками он не обладает широким спектром действия на микроорганизмы. Подавляет развитие стафилококков, стрептококков, сарцин, бацилл и клостридий, прорастание спор. Механизм действия низина на микроорганизмы до конца не выяснен.

Наиболее благоприятная среда для биосинтеза низина – обезжиренное молоко. При использовании сыворотки вместо молока выход низина в 2 раза меньше. Добавление к сыворотке 25 % пепсинового гидролизата молочнокислых бактерий, картофельной патоки или глюкозы (2,5–5 %) способствует повышению выхода низина до 90 %.

Основные стадии технологического процесса получения низина представлены на рисунке 17.1.

Рис. 17.1. Принципиальная технологическая схема процесса получения низина

Производственный посевной материал готовят в три стадии. Культуру выращивают сначала в обезжиренном молоке (300 см³) с

содержанием сухих веществ до 8 % в течение 24 ч, на второй стадии – в 4000 см³ обезжиренного молока 22–24 ч, на третьей – в инокуляторе с 80 дм³ обезжиренного молока (рН 6,8–6,9) в течение 18–20ч.

Готовый посевной материал представляет собой густую взвесь дипло- и стрептококков в свернувшемся обезжиренном молоке с рН 4,5–4,7, активность не ниже 50–60мкг/см³.Производственное культивирование ведут на смеси гидролизата молока с творожной или сырной сывороткой в соотношении 1:2. Гидролизат получают в результате обработки 6%-го обезжиренного молока протеолитическим ферментом панкреатином при температуре 45 °С и рН смеси 8,1 в течение 24 ч.

В ферментере на питательной среде происходят рост и развитие низинобразующего молочнокислого стрептококка. При этом образуется молочная кислота, которая, закисляя среду, тормозит развитие микроорганизма и биосинтез низина. В связи с этим основным условием при выращивании культуры – продуцента низина – является поддержание рН питательной среды в пределах 6,8–6,9. Обычно выращивание культуры заканчивают за 14–15 ч. При этом активность должна быть не ниже 100 мкг/см³.

Культуральную жидкость подкисляют соляной кислотой до рН 1,8–2 и кипятят 3–4 мин. После охлаждения до 40 °С на сепараторе отделяют микробную массу и нерастворимые белки. Низин, содержащийся в нативном растворе, концентрируют флотационным методом. Для этого нативный раствор подщелачивают 20%-м раствором NaOH до рН 4,5–4,7, добавляют поверхностно-активное вещество типа Твин-80 и пропускают через раствор воздух в течение 2–2,5 ч при температуре 20...25 °С. Большая часть низина (от 50 до 100 %) выходит в пену. Собранную пену разбивают, в образующейся жидкости доводят рН до 1,8–2. Антибиотик высаливают сухой поваренной солью (25 % объема жидкости) или осаждают ацетоном (5 % объема жидкости).

Высоленный низин отделяют в виде пасты сепарированием или центрифугированием и высушивают в сублимационной сушилке до остаточной влажности 3,5–4 %. Пасту можно сушить в распылительной сушилке, если приготовить раствор с 4,5–5%-м содержанием сухих веществ. Потери активности при сушке незначительны.

После сублимационной сушки препарат измельчают до состояния пудры и стандартизируют NaCl до активности 0,6 • 10⁶ед/г. Препарат слабо растворяется в воде и хорошо растворяется в 0,02 н. НС1 при подогреве до 80 °С.

В присутствии низина терморезистентность спор микроорганизмов уменьшается, следовательно, можно понижать температуру или продолжительность стерилизации продукта, что положительно сказывается на его качестве.

Возможно консервирование растительных, мясных (говядина, свинина, конина, баранина) и рыбных продуктов путем использования в качестве консервантов неспорообразующих грамположи- тельных бактерий рода Lactobacillus, например, L. plantarum, L. sake, L. curvatus и преимущественно L. casei, штамм LMGP-21007, вводимых в продукты при 20...44 °С в атмосфере воздуха или его смеси с СО₂ и N₂; при этом подавляются рост и развитие патогенной микрофлоры, например Enterococcus, Pseudomonas, Staphylococcus и др., и сохраняются внешний вид, цвет, вкус и другие органолептические характеристики продуктов [бактерии вводят в концентрациях (1–4)10⁹ед/см³ в присутствии стабилизирующих веществ, %: декстрина – 5, пептона – 10, экстракта дрожжей – 0,2].

Известен способ предупреждения порчи пищевых продуктов (молока, йогурта, сыра, плодовых и овощных соков, приправ к салатам и т.д.) дрожжами, предусматривающий введение в продукт метаболитов, образуемых культурой Propionibacterium. Обезжиренное молоко пастеризуют при 87,8 °С в течение 45 мин и охлаждают до температуры 30 °С, после чего его подкисляют 85%-й молочной кислотой до рН 5,3 и инокулируют 0,5 % культуры Propionibacterium shermanii. Инокулируемое молоко термостатируют в течение 48 ч при слабом перемешивании и нейтрализуют NaOH до рН 7,0. Затем продукт пастеризуют при температуре 62,8 °С в течение 20 мин, охлаждают до 23 °С, фасуют в стерильную полимерную тару и замораживают. Эффективное предупреждение размножения дрожжей обеспечивается не пропионовой кислотой, а другими метаболитами Propionibacterium.