Традиционная биотехнология: хлеб, кисломолочные продукты, сыр, вино

Хлеб, простокваша, сыр, вино, пиво, уксус, квашеная капуста — древнейшие продукты биотехнологии. Тысячи лет люди готовили их, не зная, что всю работу делают дрожжи и бактерии. Сегодня мы знаем, какие микроорганизмы участвуют в каждом процессе, какие реакции они проводят и почему продукт получается именно таким. В этой статье серии «Биотехнология» — химия брожения и технология главных традиционных продуктов: хлеба, кисломолочных продуктов, сыра и вина.

• 1. Что такое традиционная биотехнология
• 2. Брожение: как микроорганизмы получают энергию без кислорода
• 3. Хлебопечение
• 4. Кисломолочные продукты
• 5. Сыроделие
• 6. Квашение овощей и силос
• 7. Виноделие
• 8. Пиво и квас
• 9. Уксус
• 10. Брожение в кухнях мира
• 11. От ремесла к науке
• 12. Традиционные продукты на современном заводе
• 13. Традиционные продукты брожения в России
• 14. Опыты, которые можно поставить самому
• 15. Почему брожение сохраняет пищу
• 16. Что брожение добавляет к питательной ценности
• 17. Словарь темы
• 18. Итог: что важно знать
• 19. Частые ошибки
• 20. Интересные факты
• 21. Частые вопросы
• 22. ЕГЭ
• 23. Для олимпиад
• 24. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое традиционная биотехнология

Традиционная биотехнология — получение продуктов с помощью природных или давно отобранных человеком микроорганизмов без изменения их генов методами генной инженерии. В кодификаторе ЕГЭ её примеры названы прямо: «Традиционная биотехнология: хлебопечение, получение кисломолочных продуктов, виноделие» [1].

Объединяет все эти производства одно: используется способность микроорганизмов сбраживать углеводы — расщеплять сахара без кислорода с образованием спирта, кислот и газа. Продукты брожения меняют вкус, запах, структуру пищи и, главное, защищают её от порчи.

Зачем людям понадобилось брожение

• Консервирование. Спирт и кислоты подавляют гнилостные и болезнетворные микробы. Молоко портится за сутки, а сыр хранится месяцами; виноград гниёт за неделю, а вино хранится годами.
• Улучшение вкуса и усвояемости. Брожение разрыхляет тесто, расщепляет часть лактозы в молоке, делает белки и минеральные вещества доступнее.
• Новые питательные вещества. Микроорганизмы синтезируют витамины группы B, витамин K, аминокислоты.
• Безопасная вода. В древности слабоалкогольные напитки (пиво, разбавленное вино) нередко были безопаснее сырой воды, хотя это и не делало их полезными в больших количествах.

Древность продуктов брожения

Археологи нашли в Иордании обугленные остатки лепёшек из дикорастущих злаков и клубней возрастом около 14,4 тыс. лет — это старше земледелия [2]. Хлеб ли это в нашем понимании (поднимался ли он) — неизвестно, но человек явно перерабатывал зерно в лепёшки задолго до его возделывания. Остатки вина — винную кислоту и сопутствующие ей вещества — обнаружили в глиняных сосудах эпохи неолита на территории Грузии; им около 8 тыс. лет [3]. Пиво варили в Месопотамии и Египте, кисломолочные продукты — у первых скотоводов. Следы молочных жиров в керамике неолитических поселений и сыродельные сита возрастом около 7 тыс. лет, найденные в Польше, показывают, что сыр люди делали уже тогда.

2. Брожение: как микроорганизмы получают энергию без кислорода

Чтобы понять любое традиционное производство, нужно понять брожение. Это способ получения энергии, при котором органическое вещество расщепляется без участия кислорода, а конечным акцептором электронов служит органическая молекула, образовавшаяся из самого субстрата.

Общий начальный этап — гликолиз

Любое брожение глюкозы начинается с гликолиза — цепочки из десяти ферментативных реакций в цитоплазме. Итог гликолиза:

C₆H₁₂O₆ + 2АДФ + 2Ф_н + 2НАД⁺ → 2C₃H₄O₃ (пировиноградная кислота) + 2АТФ + 2НАД·Н + 2H⁺ + 2H₂O

Клетка получает 2 молекулы АТФ — вот и вся энергия брожения. Но есть проблема: в гликолизе расходуется переносчик электронов НАД⁺, превращаясь в НАД·Н. Запас НАД⁺ в клетке невелик, и если его не восстанавливать, гликолиз остановится. При дыхании НАД·Н отдаёт электроны в дыхательную цепь, и они уходят на кислород. Без кислорода клетка «сбрасывает» электроны с НАД·Н на пировиноградную кислоту или её производное. Именно этот «сброс» и даёт продукт брожения.

Спиртовое брожение

У дрожжей пировиноградная кислота сначала теряет CO₂ и превращается в уксусный альдегид, а затем уксусный альдегид принимает электроны от НАД·Н и превращается в этанол. Суммарно:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (+ 2АТФ)

Здесь два полезных для человека продукта: этанол (вино, пиво, спирт) и углекислый газ (разрыхляет тесто, создаёт пену пива и пузырьки шампанского).

Молочнокислое брожение

У молочнокислых бактерий пировиноградная кислота сама принимает электроны от НАД·Н и превращается в молочную кислоту. У гомоферментативных бактерий это почти единственный продукт:

C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH(OH)COOH (+ 2АТФ)

Гетероферментативные молочнокислые бактерии идут другим путём и, кроме молочной кислоты, образуют этанол или уксусную кислоту и CO₂. Их вклад важен в кефире, квашеной капусте, ржаной закваске: уксусная кислота и спирт дают более богатый вкус, а газ — пузырьки.

Тот же процесс идёт в мышцах человека при интенсивной работе, когда кислорода не хватает: пировиноградная кислота превращается в молочную. Это ещё одно напоминание о единстве биохимии живого.

Сравнение двух главных брожений

3. Хлебопечение

Что происходит в тесте

Тесто — смесь муки, воды, соли и дрожжей (или закваски). Мука на 70 % состоит из крахмала, примерно на 10–14 % — из белков. Дрожжи не могут сбраживать крахмал напрямую — у них нет ферментов, расщепляющих его. Но в муке есть собственные ферменты зерна, амилазы, которые при замешивании начинают расщеплять повреждённые при помоле крахмальные зёрна до мальтозы. Дрожжи сбраживают сначала небольшой запас готовых сахаров муки, затем мальтозу, а при добавлении сахара — сахарозу.

При брожении в тесте образуются CO₂ и этанол. Газ — главный «рабочий» продукт: его пузырьки растягивают тесто, и оно поднимается. Удержать газ позволяет клейковина (глютен) — эластичная сеть из белков пшеницы глиадинов и глютенинов, которая образуется при замешивании муки с водой. Клейковина растягивается, как резиновая плёнка, и не даёт газу улетучиться. Поэтому пышный хлеб получают только из пшеницы: у ржи, ячменя, кукурузы клейковины мало или она иная.

Что происходит при выпечке

• При нагреве до 50–60 °С дрожжи ещё некоторое время активны («печной подъём»), затем гибнут.
• Газ и пары спирта и воды расширяются, тесто дополнительно поднимается; спирт почти полностью испаряется.
• Крахмал набухает и клейстеризуется, белки клейковины денатурируют и затвердевают — образуется пористый мякиш.
• На поверхности, где температура выше 150 °С, идёт реакция Майяра — взаимодействие сахаров с аминокислотами, — и карамелизация сахаров: образуется коричневая ароматная корка.

Дрожжевое и заквасочное тесто

Для пшеничного хлеба обычно используют чистую культуру пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Их выращивают на заводах на мелассе с интенсивной аэрацией (нужна биомасса) и продают прессованными или сухими.

Ржаной хлеб пекут на закваске — сообществе молочнокислых бактерий и диких дрожжей, которое поддерживают годами, «подкармливая» мукой и водой. Это не случайность: ржаное тесто без подкисления получается липким и не пропекается. В ржаной муке много собственных амилаз и слизистых веществ (пентозанов); молочная и уксусная кислоты закваски подавляют амилазы, не давая им «разжижить» мякиш, и делают слизи способными удерживать газ вместо клейковины. Кислоты же дают ржаному хлебу его характерный кисловатый вкус и защищают его от плесени и «картофельной болезни» — порчи мякиша бациллами.

Заквасочное брожение делает хлеб полезнее: молочнокислые бактерии расщепляют часть фитиновой кислоты, связывающей кальций, железо и цинк, а более кислый хлеб медленнее повышает уровень глюкозы в крови [4].

Хлеб без дрожжей

Тесто можно разрыхлить и без микроорганизмов: пищевой содой, которая при нагреве или в контакте с кислотой выделяет CO₂, или взбитыми яйцами. Но это уже химическое или механическое разрыхление; такие изделия (печенье, бисквит, кексы) не являются продуктами биотехнологии. Пресные лепёшки — лаваш, маца, тортилья — пекут вовсе без разрыхления.

Почему хлеб черствеет

Черствение — это не просто высыхание. После выпечки клейстеризованный крахмал постепенно возвращается к упорядоченному, частично кристаллическому состоянию (ретроградация), вытесняя воду, — мякиш твердеет. Поэтому хлеб в холодильнике черствеет быстрее, чем при комнатной температуре, хотя и меньше плесневеет. Подогрев частично возвращает свежесть: крахмал снова «плавится». В хлебопекарной промышленности черствение замедляют добавлением ферментов — особых амилаз, которые слегка подрезают крахмальные цепи.

Как делают пекарские дрожжи

Пекарские дрожжи — сами по себе продукт биотехнологии, и их производство устроено противоположно хлебопечению. Здесь нужна не CO₂ и не спирт, а максимум биомассы. Поэтому дрожжи выращивают в огромных ферментёрах на разбавленной мелассе с солями аммония и фосфатами при сильной аэрации. Мелассу подают постепенно, по мере потребления: если сахара в среде станет много, дрожжи даже при наличии кислорода начнут бродить и тратить сахар на спирт. Из тонны мелассы получают около тонны прессованных дрожжей. Готовую биомассу отделяют на сепараторах, промывают, отжимают на фильтр-прессах и формуют в брикеты либо мягко высушивают.

Разные виды теста требуют разных штаммов: для сдобы с большим количеством сахара нужны дрожжи, выдерживающие высокое осмотическое давление; для замороженного теста — морозоустойчивые; для быстрой выпечки — дрожжи, особенно активно сбраживающие мальтозу.

4. Кисломолочные продукты

Что есть в молоке

Коровье молоко — это вода (около 87 %), молочный сахар лактоза (около 4,7 %), жир (3–4 %), белки (около 3,3 %, из них 80 % — казеин, остальное — сывороточные белки), минеральные вещества (особенно кальций и фосфор), витамины. Казеин находится в молоке в виде мицелл — мельчайших частиц, связанных с фосфатом кальция; они и делают молоко белым и непрозрачным.

Как молоко превращается в кисломолочный продукт

Молочнокислые бактерии расщепляют лактозу на глюкозу и галактозу и сбраживают их в молочную кислоту. Кислотность молока растёт, pH падает с 6,6–6,7 до 4,6 и ниже. При pH около 4,6 (это изоэлектрическая точка казеина) заряды на мицеллах казеина нейтрализуются, фосфат кальция растворяется, и мицеллы слипаются в сплошной гель — сгусток. Молоко «свёртывается». Так образуются кисломолочные продукты: простокваша, йогурт, кефир, ряженка.

Одновременно бактерии образуют ароматические вещества: диацетил (сливочный запах сметаны и масла), уксусный альдегид (характерный запах йогурта), немного уксусной кислоты; некоторые штаммы — полисахариды, делающие продукт густым и тягучим.

Главные продукты и их микроорганизмы

Йогурт: союз двух бактерий

Болгарская палочка (Lactobacillus delbrueckii подвид bulgaricus) и термофильный стрептококк (Streptococcus thermophilus) растут в молоке вместе лучше, чем порознь. Палочка расщепляет казеин и снабжает стрептококк аминокислотами; стрептококк быстро начинает сбраживание, снижая содержание кислорода и выделяя муравьиную кислоту и CO₂, которые стимулируют рост палочки. Стрептококк даёт мягкий кисломолочный вкус, палочка — кислотность и аромат уксусного альдегида. Это классический пример взаимовыгодного сожительства микроорганизмов в биотехнологии.

Кефир: целое сообщество

Кефирные грибки — упругие белые комочки, похожие на цветную капусту. Это не гриб, а сообщество десятков видов молочнокислых бактерий, дрожжей и уксуснокислых бактерий, заключённых в матрикс из полисахарида кефирана и белков [5]. Грибки помещают в молоко, через сутки отцеживают и используют снова — они растут и делятся. Получить кефирные грибки «с нуля» из чистых культур так и не удалось: сообщество существует только как единое целое и передаётся от одной партии к другой. Промышленный кефир чаще делают на закваске, приготовленной на кефирных грибках.

В кефире идут два брожения: молочнокислое (бактерии) и спиртовое (дрожжи). Поэтому он слегка газирован и содержит немного спирта — обычно не больше нескольких десятых процента.

Как контролируют сквашивание

На молочном заводе за ходом брожения следят по кислотности. В России её традиционно выражают в градусах Тёрнера (°Т) — числе миллилитров раствора щёлочи определённой концентрации, пошедших на нейтрализацию 100 мл продукта. Свежее молоко имеет кислотность 16–18 °Т, кефир — 85–130 °Т, йогурт — 75–140 °Т, творог — до 200–240 °Т. Когда кислотность достигает нужной величины, продукт быстро охлаждают: при низкой температуре бактерии работают медленно, и кислотность почти не растёт. Если охладить слишком поздно, продукт «перекисает» и отделяет сыворотку.

Кисломолочные продукты разных народов

У каждого скотоводческого народа сложились свои продукты — отражение местного молока, климата и микроорганизмов.

Кобылье молоко богаче лактозой и беднее казеином, чем коровье, поэтому кумыс не образует плотного сгустка и остаётся жидким напитком, а дрожжи успевают сбродить заметную часть сахара в спирт.

Масло и сметана

Сливки тоже сквашивают. Сметану получают, внося в пастеризованные сливки мезофильные лактококки, среди которых есть ароматобразующие штаммы: они превращают лимонную кислоту молока в диацетил с характерным сливочным запахом. Из сквашенных сливок взбивают кисло-сливочное масло — оно ароматнее сладко-сливочного. Диацетил настолько связан у нас со вкусом масла, что его используют как ароматизатор для попкорна и маргарина.

Кисломолочные продукты и лактоза

У большинства взрослых людей в мире активность фермента лактазы, расщепляющего лактозу, после детства снижается, и цельное молоко может вызывать вздутие и расстройство. Кисломолочные продукты переносятся лучше: бактерии закваски расщепляют часть лактозы, а живые бактерии йогурта, разрушаясь в кишечнике, выделяют собственную лактазу, помогая переварить остальное. Этот эффект для йогурта с живыми культурами признан научными экспертизами [6].

5. Сыроделие

Сыр — способ сохранить белок и жир молока на месяцы и годы. Его производство объединяет два биотехнологических процесса: ферментативное свёртывание молока и микробиологическое созревание.

Свёртывание: сычужный фермент

Для большинства сыров молоко свёртывают не кислотой, а сычужным ферментом. Его главный компонент — фермент химозин, образующийся в сычуге (четвёртом отделе желудка) молочных телят. Химозин разрезает одну-единственную связь в белке каппа-казеине, который покрывает поверхность казеиновых мицелл и не даёт им слипаться. Лишённые «защитного слоя» мицеллы в присутствии ионов кальция соединяются в плотный сгусток уже при почти нейтральном pH. Такой сгусток прочнее и эластичнее кислотного, лучше отделяет сыворотку и удерживает жир.

Долгое время сычужный фермент получали только из желудков телят, и его не хватало. Сегодня большую часть химозина в мире производят генно-инженерные микроорганизмы — плесневые грибы, дрожжи или бактерии, в которые встроен ген химозина телёнка. Используют и ферменты грибов, свёртывающие молоко. Это пример того, как современная биотехнология пришла на помощь традиционной.

Этапы получения сыра

1. Подготовка молока: нормализация по жиру, пастеризация (кроме сыров из сырого молока), охлаждение.
2. Внесение закваски молочнокислых бактерий и хлорида кальция.
3. Свёртывание сычужным ферментом — за 30–40 минут образуется сгусток.
4. Разрезание сгустка на зёрна и их обработка: перемешивание и подогрев, при которых зёрна сжимаются и выделяют сыворотку.
5. Формование и прессование сырной массы.
6. Посолка — в рассоле или сухой солью: соль подавляет посторонних микробов и формирует корку.
7. Созревание — от нескольких недель до нескольких лет при 10–15 °С и высокой влажности.

Созревание: работа микробов и ферментов

Свежая сырная масса безвкусна и резиноподобна. Вкус, аромат и консистенция появляются при созревании. Молочнокислые бактерии сбраживают остатки лактозы в первые дни; затем ферменты бактерий и остатки сычужного фермента медленно расщепляют казеин до пептидов и аминокислот, а жир — до жирных кислот. Аминокислоты и жирные кислоты превращаются в сотни ароматических веществ. Чем дольше созревание, тем острее и насыщеннее вкус.

Особые сыры

• Швейцарские сыры с «глазками» (эмменталь, советский): пропионовокислые бактерии сбраживают молочную кислоту до пропионовой и уксусной кислот и CO₂; газ образует крупные полости, а пропионовая кислота придаёт сладковато-ореховый вкус.
• Сыры с голубой плесенью (рокфор, горгонзола): в массу вносят споры пеницилла рокфора и прокалывают головки, чтобы внутрь проникал воздух; плесень растёт голубовато-зелёными прожилками и расщепляет жир с образованием острых метилкетонов.
• Сыры с белой плесенью (камамбер, бри): поверхность засевают пенициллом камамбера; плесень образует бархатистую корку и, расщепляя белок от поверхности к центру, делает сыр мягким, почти текучим.
• Сыры с «мытой» коркой: корку регулярно протирают рассолом, и на ней развиваются особые бактерии, дающие резкий запах.
• Рассольные сыры (брынза, фета, сулугуни) созревают и хранятся в рассоле.

Почему сыры такие разные

Пармезан созревает от года до трёх лет и более; за это время белок расщепляется настолько, что в сыре появляются хрустящие кристаллы аминокислоты тирозина. Так длительная работа ферментов видна невооружённым глазом.

Сыворотка — не отход

При производстве 1 кг сыра остаётся около 9 л сыворотки. В ней много лактозы и сывороточных белков. Сыворотку используют для получения напитков, рикотты, сывороточного белка для спортивного питания, лактозы для фармацевтики; её же сбраживают дрожжами, способными усваивать лактозу, для получения кормового белка и спирта.

6. Квашение овощей и силос

Квашеная капуста, солёные огурцы, мочёные яблоки, корейское кимчи — продукты молочнокислого брожения растительного сырья. Капусту шинкуют и пересыпают солью (около 2 %); соль вытягивает сок с сахарами и подавляет гнилостные бактерии, но молочнокислые бактерии к ней устойчивы. Сначала размножаются гетероферментативные бактерии, образующие молочную и уксусную кислоты, спирт и CO₂ (рассол пенится), затем — более кислотоустойчивые гомоферментативные. Через 1–2 недели pH падает ниже 4 и продукт становится устойчивым к порче.

Тот же принцип — в заготовке силоса: зелёную массу кукурузы или трав измельчают, плотно утрамбовывают, чтобы удалить воздух, и укрывают. Молочнокислые бактерии подкисляют массу, и корм сохраняется до зимы, сохраняя питательные вещества. Чтобы процесс шёл надёжно, в массу вносят закваски — готовые культуры молочнокислых бактерий.

7. Виноделие

Вино — напиток, полученный спиртовым брожением виноградного сока (сусла) или мезги (раздавленных ягод с кожицей и семенами). Главные работники — дрожжи Saccharomyces cerevisiae; в разных регионах их винные расы веками отбирались вместе с сортами винограда.

Этапы производства

1. Сбор винограда в момент нужной сахаристости (обычно 18–25 % сахаров — глюкозы и фруктозы) и кислотности.
2. Дробление ягод и отделение гребней; получается мезга.
3. Прессование: для белых вин сок отделяют от мезги сразу, для красных — сбраживают вместе с кожицей.
4. Брожение при 15–20 °С для белых вин и 25–30 °С для красных; длится от нескольких дней до нескольких недель. Дрожжи превращают сахар в спирт и CO₂.
5. Снятие с осадка — отделение молодого вина от осевших дрожжей.
6. Выдержка в бочках или ёмкостях — от месяцев до лет, затем осветление, фильтрация, розлив.

Откуда берутся дрожжи

На кожице ягод живут дикие дрожжи многих родов; в старину вино бродило самопроизвольно за их счёт. В начале брожения преобладают слабые к спирту виды, а по мере накопления спирта их вытесняют сахаромицеты. Современные винодельни часто вносят чистые культуры отобранных винных дрожжей, чтобы брожение шло предсказуемо, без посторонних запахов. Часть виноделов сознательно оставляет «спонтанное» брожение, ценя сложность вкуса.

Против посторонних микробов в сусло добавляют небольшое количество сернистого газа (SO₂) или его солей. Винные дрожжи к нему устойчивы, а уксуснокислые бактерии и многие дикие дрожжи — нет.

Почему красное вино красное

Сок почти всех сортов винограда, даже тёмных, бесцветен. Красящие вещества — антоцианы — находятся в кожице. При брожении на мезге образующийся спирт и тепло извлекают их из кожицы вместе с дубильными веществами (танинами). Поэтому из красного винограда можно сделать и белое вино, если сразу отжать сок.

Предел крепости

Дрожжи бродят, пока не кончится сахар или пока спирт не отравит их самих. Большинство винных дрожжей прекращают работу при 13–16 % спирта. Если в сусле сахара больше, чем дрожжи способны сбродить, вино остаётся сладким. Вина крепче 15–16 % (портвейн, херес, мадера) получают крепленьем — добавлением спирта. Ещё более крепкие напитки получают только перегонкой (дистилляцией) — это уже не биологический процесс.

Второе брожение

• Яблочно-молочное брожение. После спиртового брожения в вине молочнокислые бактерии (Oenococcus oeni) превращают резкую яблочную кислоту в более мягкую молочную с выделением CO₂. Кислотность снижается, вкус смягчается. Для большинства красных вин этот процесс обязателен.
• Игристые вина. В готовое вино добавляют сахар и дрожжи и закупоривают в прочные бутылки (классический способ) или герметичные резервуары. Повторное брожение даёт CO₂, который растворяется под давлением 5–6 атмосфер. При открывании бутылки газ выделяется пузырьками.
• Херес. Вино выдерживают в неполных бочках, и на его поверхности дрожжи образуют плёнку — флор. Дрожжи флора окисляют часть спирта и образуют альдегиды, дающие хересу орехово-миндальный тон.

Сидр, плодовые вина и медовуха

Те же дрожжи сбраживают и другие сладкие соки. Сидр — продукт брожения яблочного сока, крепостью обычно 4–7 %: в яблоках меньше сахара, чем в винограде. Перри — грушевый аналог сидра. Медовуха — брожение разбавленного мёда; мёд сам по себе не бродит, потому что в нём слишком мало воды и высокое осмотическое давление обезвоживает клетки дрожжей, но после разбавления водой дрожжи начинают работать. Плодово-ягодные вина часто требуют добавления сахара и воды: в смородине и вишне мало сахара и много кислоты.

Болезни вина

Больше всего виноделы боятся уксусного скисания: если вино оставить в контакте с воздухом, уксуснокислые бактерии окисляют спирт до уксусной кислоты. Именно изучая «болезни» вина по заказу французских виноделов, Пастер в 1860-х гг. показал, что каждую из них вызывает свой микроорганизм, и предложил прогревать вино до 55–60 °С — пастеризацию. Сегодня вино защищают от болезней чистотой, сернистым газом, ограничением доступа воздуха и фильтрацией.

Вино и здоровье

Этанол — токсичное вещество и канцероген. Употребление алкоголя повышает риск ряда онкологических заболеваний, болезней печени, сердца и нервной системы; безопасной для здоровья дозы алкоголя Всемирная организация здравоохранения не устанавливает. Для подростков алкоголь особенно вреден: он нарушает развитие мозга. Изучать химию и биологию брожения можно и нужно, а пробовать для этого вино — не нужно.

8. Пиво и квас

Главная трудность: дрожжи не едят крахмал

В зерне ячменя сахаров почти нет — есть крахмал. Поэтому перед брожением крахмал нужно расщепить. Это делают ферменты самого зерна, которые образуются при прорастании. Ячмень замачивают и проращивают несколько дней — получается солод. В прорастающем зерне синтезируются амилазы и протеазы (их синтез запускает гормон зародыша — гиббереллин). Солод сушат, дробят, смешивают с горячей водой и выдерживают при 62–72 °С — амилазы расщепляют крахмал до мальтозы и глюкозы. Получается сладкое сусло.

Сусло кипятят с хмелем: горькие вещества хмеля придают пиву вкус и подавляют многие бактерии. Затем охлаждают, вносят пивные дрожжи и сбраживают.

• Лагер (пиво низового брожения) — дрожжи Saccharomyces pastorianus, гибрид S. cerevisiae с холодолюбивым видом; бродят при 8–12 °С и оседают на дно.
• Эль (верхового брожения) — дрожжи S. cerevisiae при 15–24 °С, поднимаются с пеной вверх.

Пивоварение — пример сочетания двух процессов: ферментативного (расщепление крахмала ферментами солода) и микробиологического (спиртовое брожение дрожжами).

Квас

Хлебный квас — традиционный напиток восточных славян. Его делают из ржаного солода, ржаной муки или сухарей. Брожение смешанное: дрожжи образуют немного спирта (обычно до 1,2 %) и CO₂, молочнокислые бактерии — молочную кислоту. Отсюда освежающий кисло-сладкий вкус. Квас — один из немногих напитков, где спиртовое и молочнокислое брожения намеренно идут вместе.

9. Уксус

Пищевой уксус — раствор уксусной кислоты, полученный окислением спирта уксуснокислыми бактериями:

C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O

Это не брожение, а неполное аэробное окисление: бактериям нужен кислород. Сырьём служат вино (винный уксус), сидр (яблочный уксус), пиво, разбавленный спирт. В старинном «медленном» способе вино оставляли в бочках с доступом воздуха, и на поверхности образовывалась плёнка бактерий — «уксусная матка». Современные установки работают в глубинном режиме с интенсивной аэрацией и за сутки-двое дают уксус с содержанием кислоты 10–15 %.

Синтетическая уксусная кислота, полученная химически из метанола, по составу та же, но пищевой «натуральный» уксус ценится за ароматические примеси из исходного сырья. Бальзамический уксус из Модены созревает в деревянных бочках годами.

10. Брожение в кухнях мира

Традиционная биотехнология не ограничивается хлебом, молоком и вином. У разных народов есть свои продукты брожения.

Обратите внимание на роль аспергилла рисового в восточноазиатских продуктах: он выполняет ту же работу, что солод в пивоварении, — расщепляет крахмал и белки. В Европе для этого использовали прорастающее зерно, в Азии — плесневый гриб.

Даже вкус шоколада — продукт брожения: если какао-бобы не подвергнуть брожению после сбора, шоколад из них получится горьким и почти без аромата.

11. От ремесла к науке

Традиционная биотехнология тысячелетиями развивалась методом проб и ошибок. Переход к научному пониманию занял всего несколько десятилетий XIX в.

• 1680-е — Левенгук описывает в бродящем пиве мелкие шарики — дрожжевые клетки, — но не связывает их с брожением.
• 1789 — Антуан Лавуазье устанавливает, что при брожении сахар превращается в спирт и углекислый газ, и составляет примерный баланс масс.
• 1830-е — Шарль Каньяр де Латур, Теодор Шванн и Фридрих Кютцинг независимо приходят к выводу, что дрожжи — живые организмы, размножающиеся почкованием, и что брожение связано с их жизнью. Крупные химики того времени (Ю. Либих, Ф. Вёлер) высмеивают эту идею.
• 1857–1876 — Луи Пастер доказывает, что спиртовое брожение вызывают дрожжи, молочнокислое — особые бактерии, маслянокислое — анаэробы; называет брожение «жизнью без воздуха»; разрабатывает пастеризацию вина и пива.
• 1883 — Эмиль Хансен в лаборатории пивоварни «Карлсберг» в Копенгагене выделяет первую чистую культуру пивных дрожжей из одной клетки. Пиво, сваренное на ней, перестаёт «болеть» — это начало промышленного применения чистых культур.
• 1897 — Эдуард Бухнер получает бесклеточное брожение дрожжевым соком: брожение вызывают ферменты.
• 1905–1908 — Илья Мечников связывает здоровье и долголетие с кисломолочными продуктами и болгарской палочкой; начинается промышленное производство йогурта как «оздоровительного» продукта.
• 1930-е — работы Г. Эмбдена, О. Мейергофа, Я. Парнаса и других расшифровывают гликолиз — путь, общий для брожения и дыхания.
• 1990 — разрешён генно-инженерный химозин для сыроделия.

Спор Пастера с Либихом — хороший пример того, как ведётся наука: Либих считал брожение химическим распадом, вызванным «колебаниями» разлагающихся веществ. Пастер оказался прав в том, что брожение — дело живых клеток; но и в позиции химиков была доля истины — Бухнер показал, что непосредственно реакции проводят вещества клетки, ферменты.

12. Традиционные продукты на современном заводе

Слово «традиционная» не означает «старомодная». Современный молочный или хлебозавод — высокотехнологичное производство:

• Закваски прямого внесения. Вместо того чтобы поддерживать закваску пересевами, заводы покупают замороженные или лиофилизированные концентраты точно подобранных штаммов и вносят их сразу в молоко. Это даёт одинаковое качество каждой партии.
• Ротация штаммов против фагов. Бактериофаги — главная угроза молочного производства: фаг, попавший в цех, может остановить сквашивание. Поэтому используют несколько наборов штаммов с разной чувствительностью к фагам и чередуют их.
• Ферментные препараты. В хлебопечении — амилазы против черствения, в пивоварении — ферменты для использования несоложёного зерна, в виноделии — пектиназы для лучшего извлечения сока и осветления.
• Контроль процесса. Температура, кислотность, содержание сахара и спирта измеряются автоматически, а результат брожения предсказуем с точностью до часов.
• Селекция и геномика. Геномы пекарских, винных и пивных дрожжей прочитаны; выяснилось, что промышленные дрожжи прошли настоящее одомашнивание — у них появились гены, полезные для производства, и утрачены свойства, нужные в дикой природе.

Что отличает традиционную биотехнологию от современной

13. Традиционные продукты брожения в России

Русская кухня особенно богата продуктами молочнокислого брожения — это отражение долгой зимы, когда свежих овощей не было, а продукты нужно было сохранить с осени до весны.

• Ржаной хлеб на закваске — основа питания на протяжении столетий; рожь лучше пшеницы переносила северный климат.
• Квашеная капуста, солёные огурцы, мочёные яблоки и брусника — основные источники витамина C зимой. Мочение — заливка плодов водой с солью, сахаром или солодом и молочнокислое брожение.
• Кислые щи — старинный газированный напиток из ржаного и ячменного солода и муки, похожий на квас, но сильнее газированный; его разливали в прочные бутылки.
• Квас — хлебный, а также плодово-ягодный.
• Ряженка и варенец — сквашенное топлёное молоко; томление в русской печи придавало им кремовый цвет и вкус «печёного».
• Простокваша, творог, сметана — повседневные молочные продукты; сметану исторически снимали с поверхности скисшего молока.
• Медовуха и сбитень: медовуха — продукт брожения разбавленного мёда; сбитень — горячий напиток из мёда и пряностей, обычно без брожения.

В XX в. отечественные микробиологи много сделали для промышленного выпуска этих продуктов: подбирали чистые культуры для заквасок кефира, простокваши, ацидофилина, разрабатывали закваски для сыров и силоса. Сегодня крупные молочные заводы используют отечественные и импортные концентраты заквасок с известным составом штаммов.

14. Опыты, которые можно поставить самому

Брожение легко наблюдать в школьной лаборатории или на кухне. Опыты безопасны, если не пробовать результаты и не нагревать закрытые сосуды.

Опыт 1. Дрожжи надувают шарик

В три бутылки налейте по 100 мл тёплой воды (около 35 °С) и добавьте по чайной ложке сухих дрожжей. В первую добавьте две ложки сахара, во вторую — две ложки крахмала, третью оставьте без добавок. На горлышки наденьте воздушные шарики. Через 30–60 минут шарик на бутылке с сахаром заметно надуется, на бутылке с крахмалом — почти нет, на контрольной — нет. Вывод: дрожжи сбраживают сахар с выделением газа и не сбраживают крахмал. Чтобы доказать, что газ — CO₂, его пропускают через известковую воду: она мутнеет из-за образования карбоната кальция.

Опыт 2. Влияние температуры

Повторите опыт с сахаром при трёх температурах воды: 5–10 °С (холодильник), 35 °С и 70 °С. При низкой температуре брожение идёт очень медленно, при 35 °С — быстро, при 70 °С дрожжи погибают и шарик не надувается. Это иллюстрирует зависимость активности ферментов от температуры и денатурацию белков.

Опыт 3. Сквашивание молока

В два стакана пастеризованного молока добавьте по ложке живого йогурта или кефира. Один стакан держите в тепле (35–40 °С), другой — в холодильнике. Через 6–8 часов в тёплом стакане образуется сгусток, а кислотность (её можно измерить индикаторной бумагой) упадёт до pH 4,5 и ниже; в холодном молоко останется почти жидким. Добавьте в третий стакан закваску, предварительно прокипячённую, — сквашивания не будет: бактерии погибли.

Опыт 4. Тесто с клейковиной и без

Замесите два одинаковых теста на дрожжах — из пшеничной муки и из рисовой (или кукурузной) муки. Пшеничное тесто поднимется, рисовое — почти нет, хотя газ в нём тоже образуется: без клейковины он улетучивается. Это наглядно показывает роль белков пшеницы.

15. Почему брожение сохраняет пищу

Продукты брожения защищены от порчи не одним, а несколькими «барьерами» сразу. Каждый в отдельности слаб, вместе — надёжны.

• Кислотность. При pH ниже 4,5 не размножаются большинство гнилостных и болезнетворных бактерий, в том числе возбудитель ботулизма. Поэтому кисломолочные продукты, квашеные овощи, уксусные маринады хранятся долго.
• Спирт. При содержании этанола выше 10–12 % почти никакие микробы, кроме устойчивых дрожжей и уксуснокислых бактерий, жить не могут.
• Отсутствие сахара. Микробы закваски «съели» сахар — нечем питаться конкурентам.
• Отсутствие кислорода. Аэробы-гнилостники не растут в плотно уложенной капусте или в бутылке с вином.
• Соль и низкая влажность (в сыре, соевом соусе) отнимают воду у клеток посторонних микробов.
• Антимикробные вещества, которые образуют сами бактерии закваски: перекись водорода, бактериоцины. Например, лактококки выделяют низин — небольшой белок, подавляющий многие грамположительные бактерии; его применяют как пищевой консервант (Е234).
• Конкуренция. Многочисленная культура закваски просто занимает среду и не оставляет места пришельцам.

Идея многих барьеров используется и в современной пищевой промышленности: умеренное подкисление, небольшое количество соли, охлаждение и упаковка без воздуха вместе позволяют хранить продукт без сильного нагрева и большого количества консервантов.

Когда брожение опасно

Традиционные продукты безопасны при соблюдении технологии, но ошибки бывают дорогими.

• Домашние консервы и вяленая рыба без достаточного подкисления или соли — риск ботулизма: споры клостридий прорастают без кислорода и образуют сильнейший яд.
• Плесень на хлебе, варенье, сыре (кроме специально внесённой) может образовывать микотоксины; срезать «видимую» плесень недостаточно, потому что мицелий прорастает вглубь.
• Сырое непастеризованное молоко может содержать листерии, бруцеллы, возбудителей туберкулёза; поэтому почти все молочные продукты готовят из пастеризованного молока, а закваску вносят отдельно.
• Самодельные крепкие напитки и неправильная перегонка грозят отравлением метанолом, который образуется из пектина плодов.

16. Что брожение добавляет к питательной ценности

Брожение не только сохраняет пищу, но и меняет её состав.

• Витамины. Дрожжи и многие бактерии синтезируют витамины группы B; пропионовокислые бактерии — витамин B₁₂; сенная палочка в натто — витамин K₂. Содержание фолиевой кислоты и рибофлавина в кисломолочных продуктах выше, чем в исходном молоке.
• Меньше лактозы — кисломолочные продукты лучше переносят люди со сниженной активностью лактазы.
• Доступнее минеральные вещества. Молочнокислые бактерии закваски расщепляют фитиновую кислоту зерна, которая связывает железо, цинк и кальций.
• Белки частично расщеплены до пептидов и аминокислот, некоторые из которых обладают биологической активностью (например, снижают давление в опытах).
• Удаляются нежелательные вещества: при брожении какао, кофе, сои разрушается часть горьких и плохо усваиваемых соединений.

Вместе с тем не всякий продукт брожения полезен. Многие промышленные «йогурты» содержат много сахара; в вине и пиве главный компонент — токсичный этанол; в некоторых сырах и квашеных продуктах образуются биогенные амины (гистамин, тирамин), к которым чувствительны отдельные люди. Научные обзоры указывают на пользу ферментированных продуктов с живыми культурами, но подчёркивают, что эффект зависит от конкретного продукта и штамма [6].

17. Словарь темы

• Брожение — бескислородное расщепление органических веществ, при котором конечный акцептор электронов — органическая молекула; даёт 2 АТФ на глюкозу.
• Закваска — культура микроорганизмов, которую вносят в сырьё для запуска брожения.
• Солод — пророщенное и высушенное зерно, богатое амилазами.
• Сусло — сладкий сок (виноградный) или водный экстракт солода, предназначенный для брожения.
• Мезга — раздавленные ягоды винограда вместе с кожицей и семенами.
• Клейковина (глютен) — эластичный белковый комплекс пшеничного теста, удерживающий газ.
• Казеин — основной белок молока; при pH 4,6 выпадает в сгусток.
• Химозин — фермент сычуга телят, свёртывающий молоко при сыроделии.
• Гомо- и гетероферментативные бактерии — молочнокислые бактерии, образующие только молочную кислоту или также спирт, уксусную кислоту и CO₂.
• Пастеризация — прогревание до 60–90 °С, уничтожающее вегетативные клетки, но не споры.
• Яблочно-молочное брожение — превращение яблочной кислоты вина в молочную бактериями.

18. Итог: что важно знать

• Традиционная биотехнология — использование природных или отобранных микроорганизмов (без генной инженерии) для хлебопечения, получения кисломолочных продуктов, сыра, вина, пива, кваса, уксуса, квашения.
• Основа — брожение: бескислородное расщепление сахаров; начинается с гликолиза (2 АТФ), а продукты брожения образуются при восстановлении НАД⁺.
• Спиртовое брожение (дрожжи): C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂; хлеб (CO₂ разрыхляет тесто), вино, пиво.
• Молочнокислое брожение (молочнокислые бактерии): C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃; кисломолочные продукты, сыр, квашеные овощи, силос, ржаной хлеб.
• Свёртывание молока: молочная кислота снижает pH до 4,6 — казеин осаждается; в сыроделии — сычужный фермент химозин.
• Хлеб: дрожжи сбраживают сахара муки, CO₂ удерживается клейковиной; ржаной хлеб — на закваске из молочнокислых бактерий и дрожжей.
• Вино: дрожжи сбраживают сахара винограда до спирта (до 13–16 %); красный цвет — от антоцианов кожицы; уксусное скисание вызывают уксуснокислые бактерии.
• Уксус получают окислением спирта уксуснокислыми бактериями (аэробный процесс, не брожение).
• Пиво: крахмал зерна расщепляют ферменты солода, затем дрожжи сбраживают сусло.
• Брожение сохраняет пищу за счёт кислотности, спирта, удаления сахара и кислорода, антимикробных веществ и конкуренции.

19. Частые ошибки

• «Тесто поднимается из-за спирта». Тесто поднимает углекислый газ, образующийся при спиртовом брожении; спирт при выпечке испаряется.
• «Дрожжи сбраживают крахмал муки». Пекарские дрожжи не расщепляют крахмал; его до мальтозы расщепляют амилазы самой муки, а дрожжи сбраживают сахара.
• «Кефир делают с помощью только молочнокислых бактерий». В кефирных грибках — молочнокислые бактерии, дрожжи и уксуснокислые бактерии; брожение смешанное — молочнокислое и спиртовое.
• «Кефирный грибок — это гриб». Это сообщество бактерий и дрожжей в полисахаридном матриксе, а не многоклеточный организм.
• «Уксус образуется при брожении». Уксусную кислоту образуют уксуснокислые бактерии — строгие аэробы — окислением спирта кислородом.
• «Молоко свёртывается от бактерий». Молоко свёртывает молочная кислота, которую образуют бактерии (или сычужный фермент в сыроделии): при pH 4,6 казеин теряет заряд и выпадает в сгусток.
• «При молочнокислом брожении выделяется газ». Гомоферментативное молочнокислое брожение газа не даёт; CO₂ образуют гетероферментативные бактерии и дрожжи.
• «Брожение даёт много энергии, раз дрожжи так быстро растут». Брожение даёт всего 2 АТФ на глюкозу против около 30 при дыхании; поэтому при брожении дрожжи тратят на единицу биомассы гораздо больше сахара.
• «Сыр с плесенью — испорченный продукт». В рокфоре и камамбере растёт специально внесённый безопасный пеницилл, отобранный сыроделами; случайная плесень на продуктах — другое дело.
• «Сыворотка — отход, её выливают». Сыворотку перерабатывают в напитки, белковые концентраты, лактозу, кормовой белок.
• «Традиционная биотехнология не связана с современной». Сегодня химозин для сыра делают генно-инженерные микроорганизмы, а штаммы заквасок отбирают методами геномики.

20. Интересные факты

• Закваску одной из пекарен Сан-Франциско, по преданию, непрерывно поддерживают со времён «золотой лихорадки» 1849 г. Главная молочнокислая бактерия сан-францисских заквасок так и называется — Fructilactobacillus sanfranciscensis.
• Слово «кефир» связывают с тюркским корнем «кеф» — «удовольствие, хорошее самочувствие». Кефирные грибки веками хранились в семьях горцев Северного Кавказа и считались драгоценностью; промышленное производство кефира в России началось в начале XX в.
• Йогурт и простоквашу в Болгарии называют «кисело мляко»; болгарский врач Стамен Григоров в 1905 г. описал палочку из болгарской простокваши, которую позже назвали болгарской.
• Пивные дрожжи лагера — природный гибрид пекарских дрожжей с холодолюбивым видом Saccharomyces eubayanus, обнаруженным в 2011 г. в лесах Патагонии. Как гибрид попал в Европу, до сих пор обсуждается.
• Пастеру приписывают слова о том, что в бутылке вина больше философии, чем во всех книгах. Работа по заказу виноделов принесла науке понимание брожения и пастеризацию.
• Из 1 кг винограда получается около 0,6–0,75 л вина; на одну бутылку уходит больше килограмма ягод.
• Шампанское — одно из вин, в которых брожение идёт прямо в бутылке; давление внутри бутылки в 2–3 раза выше, чем в шине автомобиля.
• Мочёные яблоки, квашеная капуста и солёные огурцы — источник витамина C зимой: в кислой среде он хорошо сохраняется. Квашеная капуста помогала мореплавателям XVIII в. избегать цинги.
• Знаменитые «глазки» швейцарского сыра долго связывали только с пропионовокислыми бактериями; исследования 2010-х гг. показали, что зародышами пузырьков часто служат микроскопические частицы сена, попавшие в молоко, — с переходом к стерильному доению глазков стало меньше.
• Пар над поднимающимся тестом пахнет не только дрожжами: молочнокислые бактерии, всегда присутствующие в муке, и дикие дрожжи добавляют десятки летучих веществ, и аромат хлеба складывается из сотен соединений.
• В Средние века в Европе пиво варили в монастырях, и именно монахи одними из первых стали систематически добавлять хмель; немецкий «Закон о чистоте пива» 1516 г. разрешал использовать только воду, ячмень и хмель — о дрожжах в нём не говорится, потому что о них ещё не знали.
• Пекарские дрожжи — одно из самых массовых живых существ, выращиваемых человеком: в мире их производят миллионы тонн в год. В одном грамме прессованных дрожжей — около 10–20 миллиардов живых клеток, то есть больше, чем людей на Земле.
• Слово «закваска» и слово «квас» — однокоренные: древнерусское «квасъ» означало и напиток, и вообще закваску, а «квасить» — заставлять бродить.

21. Частые вопросы

Почему дрожжи в тесте не превращают весь сахар в спирт и не делают хлеб «пьяным»?

Брожение в тесте длится всего несколько часов, сахаров в муке немного, а основная часть образовавшегося спирта испаряется при выпечке. В готовом хлебе остаются лишь следы этанола — меньше, чем в спелом фрукте.

Почему молоко скисает само, а пастеризованное — нет или не так?

В сыром молоке всегда есть молочнокислые бактерии с вымени и рук доярки; при комнатной температуре они быстро размножаются и сквашивают молоко. Пастеризация убивает большинство из них, поэтому пастеризованное молоко дольше не скисает; а когда всё же портится, часто это делают уже не молочнокислые, а гнилостные бактерии, — молоко становится горьким, а не приятно кислым. Поэтому для простокваши в пастеризованное молоко вносят закваску.

Чем йогурт отличается от простокваши?

Закваской и температурой: простоквашу получают мезофильными лактококками при около 30 °С, йогурт — термофильными болгарской палочкой и стрептококком при 40–45 °С. От этого зависят вкус (у йогурта характерный аромат уксусного альдегида), кислотность и консистенция.

Если дрожжи — факультативные анаэробы, почему при виноделии нельзя пускать воздух?

С кислородом дрожжи переходят на дыхание и окисляют сахар до CO₂ и воды — спирта получится меньше. Кроме того, кислород позволит размножиться уксуснокислым бактериям, которые превратят спирт в уксус. Впрочем, в самом начале брожения немного кислорода полезно: он нужен дрожжам для синтеза стеринов мембраны, без которых они хуже переносят спирт.

Почему сыр получают с сычужным ферментом, а творог можно и без него?

Кислотный сгусток (творог) рыхлый и хрупкий, он плохо отдаёт сыворотку при прессовании и не образует плотного монолита. Сычужный сгусток образуется при почти нейтральном pH, содержит больше кальция, эластичен и прочен — из него можно сформовать головку, которая месяцами созревает, не рассыпаясь.

Что такое «живой» йогурт и чем он отличается от термизированного?

В «живом» йогурте бактерии закваски остаются жизнеспособными до конца срока годности (продукт хранят в холодильнике). Термизированный йогурт после сквашивания прогревают, чтобы продлить срок хранения; бактерии в нём погибают. Вкус похож, но пробиотические свойства и помощь в переваривании лактозы связаны с живыми бактериями.

Почему ржаной хлеб пекут на закваске, а не на дрожжах?

Белки ржи почти не образуют клейковины, а амилаз в ржаной муке много; без подкисления амилазы расщепляют крахмал при выпечке, и мякиш получается липким. Кислоты закваски подавляют амилазы и помогают слизистым веществам ржи удерживать газ; кроме того, они дают вкус и защищают хлеб от порчи.

Можно ли сделать вино из любых фруктов?

Можно сбродить любой сладкий сок — яблочный (сидр), грушевый, вишнёвый, медовый раствор (медовуха). Но виноград особенно удобен: в нём много сахара (хватает на 11–14 % спирта без добавок), достаточно кислоты, чтобы подавить посторонних бактерий, и есть питательные вещества для дрожжей. В соки других плодов часто приходится добавлять сахар, воду или кислоту.

Почему хлеб на закваске дольше не плесневеет?

Закваска делает хлеб кислым, а молочнокислые бактерии образуют уксусную кислоту и другие вещества, угнетающие плесневые грибы и бациллы. Поэтому ржаной хлеб на закваске хранится дольше пшеничного дрожжевого без консервантов.

Можно ли сделать вино на пекарских дрожжах?

Можно — это тот же вид, Saccharomyces cerevisiae. Но пекарские штаммы отобраны на быстрое газообразование в тесте, а не на устойчивость к спирту и аромат; они часто останавливаются на 10–12 % спирта и дают посторонние привкусы. Винные расы веками отбирались под условия виноделия: высокую кислотность, сернистый газ, высокое содержание спирта.

Почему пиво горькое?

Горечь даёт хмель: при кипячении сусла с шишками хмеля горькие альфа-кислоты превращаются в растворимые изо-альфа-кислоты. Они же подавляют многие грамположительные бактерии, которые могли бы испортить пиво, — поэтому хмель исторически был и консервантом.

Почему в домашнем квасе и кефире бывает разное количество спирта?

Содержание спирта зависит от того, как долго и при какой температуре шло брожение и сколько было сахара. Чем дольше и теплее брожение, тем больше дрожжи успевают сбродить сахара в спирт. Промышленный квас и кефир выпускают по стандартам, ограничивающим содержание этанола; домашние продукты, передержанные в тепле, могут оказаться заметно крепче. Поэтому детям не дают перебродивший квас и кумыс.

Почему квашеная капуста хрустит, а гнилая — нет?

Хруст обеспечивает пектин клеточных стенок. Молочнокислые бактерии пектин не разрушают, а гнилостные бактерии и плесени выделяют пектиназы и размягчают ткани. Поэтому правильное квашение сохраняет хруст, а порча делает овощи мягкими.

22. ЕГЭ

Тема прямо названа в элементе 3.7 кодификатора [1]: «Традиционная биотехнология: хлебопечение, получение кисломолочных продуктов, виноделие». Её связи — с элементами о строении бактерий и грибов, об энергетическом обмене (гликолиз, брожение, дыхание) и о значении микроорганизмов в природе и жизни человека.

Что обязательно знать

• Какие организмы используют в хлебопечении (дрожжи; для ржаного хлеба — также молочнокислые бактерии), в получении кисломолочных продуктов (молочнокислые бактерии; в кефире — также дрожжи), в виноделии (дрожжи), сыроделии (молочнокислые бактерии, сычужный фермент, плесневые грибы для отдельных сыров), производстве уксуса (уксуснокислые бактерии).
• Суммарные уравнения спиртового и молочнокислого брожения и их энергетический итог (2 АТФ).
• Роль CO₂ в хлебопечении, роль молочной кислоты в свёртывании молока и консервировании.
• Почему при виноделии ограничивают доступ кислорода, а при выращивании дрожжей — нет.

Разбор типичных формулировок

«Установите соответствие между продуктом и процессом» (спиртовое / молочнокислое брожение). Спиртовое: вино, пиво, хлеб (пшеничный). Молочнокислое: простокваша, йогурт, творог, квашеная капуста, силос. Смешанное (если такой вариант есть): кефир, кумыс, квас, ржаной хлеб. Уксус — не брожение.

«Выберите три верных утверждения о брожении». Верные: идёт в цитоплазме; без участия кислорода; даёт 2 АТФ на молекулу глюкозы; начинается с гликолиза; продукты — спирт и CO₂ или молочная кислота. Ловушки: «идёт в митохондриях», «образуется 36–38 АТФ», «конечные продукты — CO₂ и вода».

Часть 2: «Почему при выпечке хлеба тесто поднимается?» Элементы ответа: 1) дрожжи сбраживают сахара теста (спиртовое брожение); 2) выделяется углекислый газ; 3) пузырьки газа удерживаются клейковиной и разрыхляют тесто; 4) при выпечке газ расширяется, а спирт испаряется.

Часть 2: «Почему вино, оставленное в открытой бутылке, становится кислым?» Элементы: 1) в вино попадают уксуснокислые бактерии; 2) это аэробы, им нужен кислород воздуха; 3) они окисляют этанол до уксусной кислоты.

Часть 2: «Почему кисломолочные продукты хранятся дольше молока?» Элементы: 1) молочнокислые бактерии образуют молочную кислоту; 2) кислая среда подавляет гнилостные и болезнетворные бактерии; 3) сахар (лактоза) уже частично израсходован; 4) многочисленные бактерии закваски вытесняют конкурентов.

23. Для олимпиад

Энергетика и выход продуктов

Из 1 моль глюкозы (180 г) при спиртовом брожении образуется 2 моль этанола (92 г) и 2 моль CO₂ (88 г, при нормальных условиях — 44,8 л). Этот расчёт позволяет оценить, сколько газа выделит тесто или сколько спирта даст сусло.

Пример 1. Виноградное сусло содержит 220 г сахаров на литр. Каков теоретический максимум спирта? 220 · 0,511 ≈ 112 г этанола на литр. Плотность этанола 0,79 г/мл, объём 112 / 0,79 ≈ 142 мл, то есть около 14 % по объёму. Реально выход на 5–10 % ниже из-за побочных продуктов (глицерина, кислот) и роста дрожжей, поэтому получится около 13 %.

Пример 2. В тесто из 1 кг муки внесли 30 г сахара; дрожжи сбродили его полностью. Сколько литров CO₂ (н. у.) выделилось? Сахароза C₁₂H₂₂O₁₁ (342 г/моль) после расщепления даёт 2 глюкозы; 30 / 342 ≈ 0,088 моль сахарозы → 0,175 моль глюкозы → 0,35 моль CO₂ ≈ 7,9 л. При температуре выпечки объём газа ещё больше.

Пример 3. Молоко содержит 4,7 % лактозы (C₁₂H₂₂O₁₁, 342 г/моль). При сквашивании до кислотности йогурта сбраживается около четверти лактозы. Сколько молочной кислоты (90 г/моль) образуется в 1 л молока при гомоферментативном брожении? Лактозы в литре ≈ 47 г, сбраживается ≈ 11,8 г, то есть 0,034 моль; из 1 моль лактозы (2 гексозы) получается 4 моль молочной кислоты — 0,138 моль, около 12 г. Это примерно 1,2 % молочной кислоты — типичная кислотность йогурта.

Почему при брожении сахар расходуется быстрее

Дыхание даёт около 30 АТФ на глюкозу, брожение — 2, то есть в 15 раз меньше. Чтобы получить ту же энергию, бродящая клетка должна расщепить в 15 раз больше сахара. Пастер заметил обратное следствие: если дать бродящим дрожжам кислород, потребление сахара резко падает (эффект Пастера). Клетка регулирует скорость гликолиза по потребности в АТФ: ключевой фермент гликолиза фосфофруктокиназа подавляется высоким уровнем АТФ и цитрата.

Регенерация НАД⁺ — общий принцип

Разные брожения — это разные способы вернуть НАД·Н в окисленную форму. Задача олимпиадного уровня: предсказать продукт по пути. Если клетка сбрасывает электроны на пируват — образуется лактат; на ацетальдегид (после декарбоксилирования пирувата) — этанол; на ацетоацетил-КоА и далее — бутанол и масляная кислота (клостридии); на фумарат — сукцинат (пропионовокислые бактерии). Глицерин в вине образуется, когда электроны с НАД·Н идут на промежуточный продукт гликолиза — дигидроксиацетонфосфат; так дрожжи восстанавливают баланс НАД⁺ в начале брожения, пока ещё мало ацетальдегида.

Почему дрожжи выдерживают спирт, а многие бактерии — нет

Этанол растворяется в липидах мембран, делает их «текучими» и проницаемыми для ионов, нарушает работу мембранных белков. Винные дрожжи приспособлены к этому: в их мембранах больше стеринов (эргостерола) и ненасыщенных жирных кислот, которые стабилизируют бислой, они активно выкачивают протоны, поддерживая градиент на мембране, и синтезируют защитные белки и трегалозу. Для синтеза эргостерола и ненасыщенных жирных кислот дрожжам нужен кислород — отсюда практика слегка аэрировать сусло в начале брожения. Устойчивость к собственному продукту — общее требование к промышленному продуценту.

Симбиоз в йогурте: количественный взгляд

Если выращивать болгарскую палочку и термофильный стрептококк по отдельности, каждая культура сквашивает молоко медленнее, чем их смесь; совместная культура быстрее снижает pH и даёт больше уксусного альдегида. Это пример протокооперации (взаимовыгодного, но не обязательного сожительства): каждый вид может жить и сам, но вместе они растут лучше.

Свёртывание молока: две разные причины

Кислотное свёртывание — нейтрализация заряда казеина при pH 4,6 и растворение фосфата кальция; сгусток рыхлый, кальций уходит в сыворотку. Сычужное свёртывание — отщепление химозином гидрофильного фрагмента каппа-казеина при pH около 6,5; мицеллы слипаются через кальциевые мостики; сгусток плотный и богат кальцием. Отсюда различие в консистенции творога и сыра и в содержании в них кальция.

24. Задания с разбором

Задание 1

Какие микроорганизмы используют в хлебопечении, получении кисломолочных продуктов и виноделии?

Задание 2

Установите соответствие между продуктом и типом брожения: А) вино; Б) йогурт; В) квашеная капуста; Г) пиво; Д) творог; Е) силос. Брожение: 1) спиртовое; 2) молочнокислое.

Задание 3

Выберите три верных утверждения о спиртовом брожении. 1) Идёт в митохондриях. 2) Начинается с гликолиза. 3) Даёт 2 АТФ на молекулу глюкозы. 4) Конечные продукты — CO₂ и вода. 5) Осуществляется дрожжами. 6) Требует кислорода.

Задание 4

Почему тесто поднимается? Какую роль играет клейковина?

Задание 5

Почему молоко при скисании свёртывается?

Задание 6

Почему вино в открытой бутылке скисает в уксус, а в закупоренной — нет?

Задание 7

Найдите ошибки и исправьте: 1) Кефир получают с помощью только молочнокислых бактерий. 2) Сычужный фермент получают из желудков телят или с помощью генно-инженерных микроорганизмов. 3) Уксус образуется при молочнокислом брожении. 4) В рокфоре растёт пеницилл. 5) При брожении образуется 38 молекул АТФ.

Задание 8

Почему ржаной хлеб пекут на закваске?

Задание 9

Зачем при производстве пива ячмень проращивают?

Задание 10

Объясните, почему йогурт получают двумя видами бактерий одновременно.

Задание 11

Чем сычужное свёртывание молока отличается от кислотного?

Задание 12

Почему при производстве вина брожение прекращается, хотя в сусле ещё может оставаться сахар?

Задание 13

Как образуются «глазки» в швейцарском сыре?

Задание 14

Назовите не менее трёх причин, по которым квашеная капуста не портится.

Задание 15

Установите последовательность этапов получения сыра: 1) созревание; 2) свёртывание сычужным ферментом; 3) пастеризация молока; 4) разрезание сгустка и отделение сыворотки; 5) внесение закваски; 6) формование и прессование; 7) посолка.

Задание 16

Чем отличается кефир от йогурта по составу микроорганизмов и типу брожения?

Задание 17

Почему красное вино получают брожением мезги, а не сока?

Задание 18

Почему при заготовке силоса зелёную массу плотно утрамбовывают?

Задание 19 (олимпиадное)

Сусло содержит 240 г сахаров на литр. Сколько процентов спирта по объёму получится, если реальный выход составит 92 % от теоретического (плотность этанола 0,79 г/мл)? Сколько литров CO₂ (н. у.) выделится из 1 л сусла?

Задание 20 (олимпиадное)

Дрожжевую культуру перевели из анаэробных условий в аэробные. Как изменятся скорость потребления глюкозы, выход биомассы и образование этанола? Объясните с точки зрения энергетики и регуляции гликолиза. При каком условии дрожжи продолжат образовывать этанол даже в присутствии кислорода?

Литература

1. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
2. Arranz-Otaegui A., Gonzalez Carretero L., Ramsey M. N., Fuller D. Q., Richter T. Archaeobotanical evidence reveals the origins of bread 14,400 years ago in northeastern Jordan // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2018. Vol. 115, № 31. P. 7925–7930. DOI: 10.1073/pnas.1801071115.
3. McGovern P., Jalabadze M., Batiuk S. et al. Early Neolithic wine of Georgia in the South Caucasus // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2017. Vol. 114, № 48. P. E10309–E10318. DOI: 10.1073/pnas.1714728114.
4. Gobbetti M., Rizzello C. G., Di Cagno R., De Angelis M. How the sourdough may affect the functional features of leavened baked goods // Food Microbiology. 2014. Vol. 37. P. 30–40. DOI: 10.1016/j.fm.2013.04.012.
5. Bourrie B. C. T., Willing B. P., Cotter P. D. The microbiota and health promoting characteristics of the fermented beverage kefir // Frontiers in Microbiology. 2016. Vol. 7. Art. 647. DOI: 10.3389/fmicb.2016.00647.
6. Marco M. L., Heeney D., Binda S. et al. Health benefits of fermented foods: microbiota and beyond // Current Opinion in Biotechnology. 2017. Vol. 44. P. 94–102. DOI: 10.1016/j.copbio.2016.11.010.