Производство творога

      Способность дрожжей вырабатывать спирт и углекислый газ зависит от многих факторов: вида используемых дрожжей, количества молочного сахара в исходном сырье , температуры, рН среды и др. 
 
 
 

КОАГУЛЯЦИЯ  КАЗЕИНА И ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЕ 

     Накопление  молочной кислоты при молочнокислом  брожении лактозы имеет существенное значение для образования белкового сгустка, определяющего консистенцию кисломолочных продуктов. Сущность кислотной коагуляции сводится к следующему. Образующаяся (или внесенная) молочная кислота снижает отрицательный заряд казеиновых мицелл, так как Н-ионы подавляют диссоциацию карбоксильных групп казеина, а также гидроксильных групп фосфорной кислоты. В результате этого достигается равенство положительных и отрицательных зарядов в изоэлектрической точке казеина (рН 4,6—4,7).

     При кислотной коагуляции помимо снижения отрицательного заряда казеина нарушается структура казеинаткальцийфосфатного комплекса (отщепляется фосфат кальция и структурообразующий кальций). Так как кальций и фосфат кальция являются важными структурными элементами комплекса, то их переход в раствор дополнительно дестабилизирует казеиновые мицеллы

[ККФК]" + С₃Н₆0₃ - [Казеин]⁰ + Са₃(Р0₄)₂ + (С₃Н₅0₃)₂Са 

     При выработке творога кислотно-сычужным способом на казеин совместно действует  молочная кислота и внесенный сычужный фермент.

      Под действием сычужного фермента казеин превращается в параказеин, имеющий  изоэлектрическую точку в менее кислой среде (рН 5-5,2)

      В изоэлектрической точке казеиновые или параказеиновые частицы при  столкновении агрегируют, образуют цепочки или нити, а затем пространственную сетку, в ячейки или петли которой захватывается дисперсионная среда с жировыми шариками и другими составными частями молока. Происходит гелеобразование. при производстве кисломолочных продуктов и сыра процесс гелеобразования можно условно разделить на четыре стадии: стадия скрытой коагуляции ( индукционный период), стадия массовой коагуляции, стадия структурообразования (уплотнение сгустка) и стадия синерезиса.

      В коллоидных системах на гелеобразование  влияют концентрация дисперсной фазы, размер, форма частиц, температура и т.д. Образующийся сгусток (гель) обладает определенными механическими свойствами: вязкостью, пластичностью, упругостью и прочностью. Эти свойства  связаны со структурой системы, поэтому их называют структурно-механическими или реологическими.

        Структурно-механические свойства сгустков определяются характером связей, возникающих между белковыми частицами при формировании структуры. Связи могут быть обратимыми и необратимыми. Обратимые (тиксотропно-обратимые) связи восстанавливаются после нарушения структуры сгустка. Они обусловливают явление тиксотропт (от греч. thixis—прикосновение + trope — изменение) — способность структур после их разрушения в результате какого-нибудь механического воздействия самопроизвольно восстанавливаться во времени. 

      Необратимые (необратимо разрушающиеся)  связи  не обладают свойством восстанавливаться  после механического  воздействия  на сгусток. С ними связано явление  синерезиса. Синерезис - уплотнение, стягивание сгустка с укорачиванием нитей  казеина и вытеснением заключенной между ними  жидкости. Скорость синерезиса  определяется влагоудерживающей  способностью казеина и зависит  от концентрации в сырье сухих веществ, состава бактериальных заквасок,  режимов тепловой обработки  и гомогенизации, способа свертывания молока и других факторов.

      Для кисломолочных напитков и сметаны  синерезис – явление нежелательное. Поэтому  при их выработке используют бактериальные закваски  нужного  состава  и технологический процесс ведут при режимах, предотвращающих  возникновение синерезиса. При производстве творога, наоборот, требуется удалить избыток сыворотки из сгустка. Поэтому выбирают такие режимы обработки молока, которые  способствовали бы  получению плотного, но легко отдающего  сыворотку сгустка. Для усиления синерезиса применяют также измельчение, нагревание сгустка и т.д.

      Характер  связей в структуре сгустка (продукта)  можно определить  путем измерения  так называемой эффективной вязкости – вязкости, обусловленной образованием в продукте внутренних структур. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Механизмы регуляции. 

    Отношение дрожжей к кислороду. Сбраживание дрожжами глюкозы-анаэробный процесс, хотя дрожжи - аэробные организмы. В  
анаэробных условиях брожение идет очень интенсивно, но роста дрожжей 
почти не происходит. При аэрации брожение ослабевает, уступая место 
дыханию. У некоторых дрожжей можно почти полностью подавить 
брожение усиленной аэрацией (эффект Пастера). Пастер открыл этот 
эффект более ста лет тому назад, исследуя процессы брожения при 
изготовлении вина. Это явление свойственно не только дрожжам, но 
и всем другим факультативно-анаэробным клеткам, включая клетки 
тканей высших животных.

    Аэрация уменьшает потребление глюкозы, а также образование этанола  и С0₂, но делает возможным рост дрожжей. С энергетической точки зрения эти явления понятны; они указывают на существование у дрожжей чрезвычайно полезного регуляторного механизма: в анаэробных условиях образуются только 2 моля АТР на один моль использованной глюкозы, а при дыхании-38 молей АТР. Таким образом, клетка, регулируя превращения субстрата, может получать   максимум   энергии   как   в   тех,   так   и   в   других   условиях.

    При инкубировании дрожжей в присутствии  ДНФ (2,4 динитрофенол), последний  разобщает  фосфорилирование и окисление в дыхательной цепи: он нарушает сопряжение между переносом электронов и фосфорилированием, после чего дыхание протекает уже без контроля со стороны фосфорилирования. Добавление ДНФ практически выключает фосфорилирование в дыхательной цепи, и водород, отщепляющийся в цикле трикарбоновых кислот, уже не может использоваться для энергетических целей. Доступным для использования оказывается только высокоэнергетический фосфат, образующийся при расщеплении сукцинил-СоА. В присутствии ДНФ потребление глюкозы возрастает до величины, наблюдаемой в анаэробных условиях, что связано с его разобщающим действием.

    В реакции Пастера участвует несколько  регуляторных механизмов, действующих в одном направлении. Эффект одного из них проявляется на уровне процессов фосфорилирования. В основе его лежит конкуренция за аденозиндифосфат (ADP) и неорганический фосфат (Р_i). Для дегидрирования при расщеплении глицеральдегидфосфата необходимы ортофосфат и ADP:

     Глицеральдегид-3-фосфат   +   NAD   +   ADP   +   P_i 

       3-фосфоглицерат   +  NADH₂   +   АТР 

    Таким образом, расщепление субстрата (глюкозы) по фруктозоби-фосфатному пути зависит  от наличия ADP и неорганического фосфата. В отсутствие ADP и фосфата дегидрирование глицеральдегидфосфата оказывается невозможным. Однако в аэробных условиях с этой реакцией конкурирует за ADP и фосфат процесс фосфорилирования в дыхательной цепи, который тоже приводит к образованию АТР. Вполне вероятно, что расщепление глюкозы, а вместе с тем и образование этанола тормозятся в результате снижения внутриклеточной концентрации ADP и фосфата. Если же под действием ДНФ процессы окисления в дыхательной цепи и фосфорилирование разобщаются, то ADP и фосфат снова могут использоваться для дегидрирования глицеральдегидфосфата, и аэробное потребление глюкозы повышается до уровня, соответствующего анаэробным условиям.

    За  реакцию Пастера ответствен еще  один регуляторный механизм, а именно аллостерический эффект торможения фермента фосфофруктокиназы аденозинтрифосфатом.

    Фосфофруктокиназа и эффект Пастера. Эффект Пастера - торможение гликолиза дыханием - можно объяснить тем, что между системами фосфорилирования в дыхательной цепи и на уровне субстрата существует конкуренция за ADP и фосфат. Согласно новейшим данным, расщепление гексоз по фруктозобисфосфатному пути контролируется в первую очередь путем аллостерической регуляции активности фосфофруктокиназы. Фосфофруктокиназу из пекарских дрожжей аллостерическй ингибирует АТР. В присутствии АТР увеличивается сигмоидность кривой насыщения фермента субстратом. Очень важно то, что, хотя 5'-трифосфаты инозина, гуанозина и цитозина и могут служить вместо АТР донорами фосфатных групп, они не выполняют ни ингибирующей, ни регулирующей функции. Это означает, что аллостерический центр фермента обладает высокой специфичностью в отношении АТР и что его сигнал однозначен. Напротив, специфичность каталитического центра незначительна. AMP действует как положительный эффектор и снимает торможение, вызываемое АТР. Другие моно- и дифосфаты не действуют совсем или действуют очень слабо. У Escherichia coli роль положительного эффектора играет не AMP, а ADP. Фосфофруктокиназа ингибируется также цитратом; при этом АТР усиливает этот эффект, а фруктозо-6-фосфат ослабляет его.

    Знание  аллостерических свойств фосфофруктокиназы позволяет сделать следующий вывод: если аэробно растущие дрожжевые клетки или клетки тканевой культуры лишить кислорода и приостановить таким образом окислительное фосфорилирование, то в клетке снизится соотношение концентраций АТР/АМР, что приведет к повышению активности фермента и соответственно к ускорению реакции. То, что регуляция процессов в живой клетке действительно происходит описанным путем, удалось подтвердить, измеряя внутриклеточные концентрации глюкозы, глюкозо-6-фосфата, фруктозо-6-фосфата, фруктозо-1,6-бисфосфата и триозофосфатов до и после перехода от анаэробных условий к аэробным. Непосредственно после аэрирования культуры концентрация глюкозо-6-фосфата и фруктозо-6-фосфата возрастает, а содержание фруктозобисфосфата и триозофосфатов резко снижается. Таким образом, фосфофруктокиназа действует как клапан, регулируемый аденилатами и другими метаболитами; когда он закрыт, метаболиты, находящиеся «выше» него в цепи, накапливаются, а расположенные «ниже» продолжают участвовать в реакциях, и их количества уменьшаются. Это позволяет понять, почему при переходе к аэробным условиям потребление глюкозы падает. [8]

         Глюконеогенез. Аденилаты ATP, ADP, AMP и СоА-производные жирных кислот оказывают регулирующее воздействие на многие реакции, участвующие в катаболизме гексоз, в промежуточном обмене и в синтезе запасных веществ. Регуляция фосфофруктокиназы служит, по-видимому, тем главным клапаном, с помощью которого регулируется поток субстрата, направляемый по фруктозобисфосфатному пути. Соответствующий фермент, контролирующий у некоторых бактерий расщепление субстрата по 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконатному пути,-это, очевидно, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. Ее тоже в сильной степени ингибируют АТР и NADH2.

            Образование глюкозы из пирувата или лактата (глюконеогенез) играет определенную роль тогда, когда эти и другие вещества служат источниками углерода в отсутствие углеводов. Синтез идет по фруктозобисфосфатному пути, за исключением трех необратимых реакций (рис.7). Эти этапы катализируются регулируемыми ферментами. В животных тканях путь от пирувата к фосфоенолпирувату проходит через оксалоацетат. Первая реакция катализируется пируваткарбоксилазой и зависит от присутствия ацетил-СоА. По-видимому, ацетил-СоА играет в данном случае роль сигнала, свидетельствующего о насыщении всех реакций, использующих это соединение, в особенности реакций конечного окисления через цикл трикарбоновых кислот. Такая регуляция гарантирует получение энергии и допускает синтез глюкозы лишь при избытке ацетил-СоА. Кроме того, зависимость образования оксалоацетата от ацетил-СоА может быть существенной для обеспечения цикла трикарбоновых кислот необходимым количеством оксалоацетата.

              При глюконеогенезе реакция с участием фруктозобисфосфатазы 

Фруктозо-1,6-бисфосфат +          Фруктозо-6-фосфат +  

дает возможность  обойти вторую необратимую реакцию  цепи гликолиза. Фруктозобисфосфатазу ингибирует AMP, который служит здесь индикатором степени насыщения клетки высокоэнергетическими соединениями. Избыток AMP означает, что поступление АТР недостаточно для насыщения реакций, связанных с затратой энергии. Кажется вероятным, что в таких условиях глюконеогенез тормозится для усиления распада глюкозы и увеличения выхода энергии.

            Цикл трикарбоновых кислот. У дрожжей АТР сильно понижает сродство цитратсинтазы к ацетил-СоА. У Е. coli и других бактерий высокая концентрация NADH2 сигнализирует о насыщении дыхательной системы и о том, что потребление субстрата в цикле трикарбоновых кислот должно быть снижено. Ингибитором 2-оксоглутаратдегидрогеназы, цитратсинтазы и пируватдегидрогеназы служит NADH2  (рис.7)