Биотехнология от А до Я №2

Классика биотехнологии

Хлеб

Что раньше придумали древние земледельцы – дрожжевой хлеб или бражку – теперь уже не установить.

В производстве хлеба сложный цикл биохимических и микробиологических процессов начинается с момента смешивания муки с водой и заканчивается во время выпечки. Качество хлеба зависит, разумеется, и от муки, и от условий выпечки, и от искусства главного технолога, но не в меньшей степени – от того, какие штаммы дрожжей и молочнокислых бактерий входят в состав закваски и, соответственно, какие органические кислоты, многоатомные спирты и сложные эфиры образуются при брожении.

В самом общем виде производство хлеба происходит по той же схеме, что и тысячи лет назад. Новые сорта с различными добавками, заварной хлеб, в котором перед дрожжевым брожением крахмал в муке частично гидролизуется (разлагается) молочнокислыми бактериями – не самое главное. Испечь хлеб в русской печи, тондыре, духовке, специальной электропечи для выпечки домашнего хлеба в городской квартире – дело не слишком сложное. И даже разница между деревенскими квашней и печью и современным хлебозаводом скорее количественная.

Главное отличие современного хлеба от того, который пекли еще полтора века назад – то, что дрожжи, на которых бродит тесто – это продукт современной микробиологической промышленности с определенными и строго стандартными свойствами. Древние египтяне и разные прочие хетты заквашивали хлеб осадком, оставшимся после сцеживания пива. В обоих процессах используются одни и те же дрожжи Saccharomyces cerevisiae, которые в бедной кислородом среде превращают простые сахара в этиловый спирт и углекислый газ. Разница только в том, что для брожения теста лучше подходит та закваска, которая дает больше углекислого газа, а для алкогольных напитков – такие штаммы дрожжей, у которых больше выход этилового спирта. Довольно скоро (не больше чем через тысячу-другую лет) в результате неосознанного искусственного отбора пивовары и хлебопеки стали пользоваться разными заквасками, хотя и сейчас с помощью пекарских дрожжей можно получить бражку, пригодную как для непосредственного использования, так и для перегонки в домашних условиях.

Хлебная закваска из оставленного с прошлого раза теста – штука капризная, состав штаммов в ней легко меняется, и чаще всего – в худшую сторону. Когда хлеб пекли в каждой избе, беду легко было поправить, взяв немного теста из квашни соседки. В пекарне испорченное тесто больно бьет по карману хозяина. Нынешние штаммы дрожжей и смешанные культуры микроорганизмов, входящие в состав заквасок для разных сортов хлеба, отличаются друг от друга не меньше, чем малолитражка от трейлера. Поддерживать культуру специально выведенных штаммов старинным способом, заквашивая новую порцию продукта остатком от старой, невозможно: после нескольких пересевов закваска портится, так как специально выведенных мутантов с нужными свойствами вытесняют микроорганизмы дикого типа. А разница между ними намного больше, чем между «Феррари» и горбатым «Запорожцем».

Стандартные закваски не только позволяют получить продукцию лучшего и заранее известного качества. У полезных микроорганизмов полным-полно конкурентов, которые питаются теми же углеводами, спиртами, органическими кислотами и т. д., а выделяют совсем не те вещества, которые надо. В результате такой конкуренции в лучшем случае процесс идет дольше, а качество продукта снижается; в худшем – приходится выливать годовой урожай вина или скармливать свиньям гору сыра. Если в сырье окажется сразу очень много нужных микробов, им будет намного легче подавить конкурентов.

Современная биотехнология появилась после открытий Пастера и началась с производства стандартных заквасок для хлебопекарной и пивоваренной промышленности. Сейчас биомасса S. cerevisiae в виде сухих и прессованных дрожжей, густых и жидких заквасок – самая крупнотоннажная биотехнологическая продукция. На производство пива, хлеба и других продуктов каждый год в мире уходит около миллиона тонн дрожжей.

Пиво

Самое древнее из дошедших до нас руководств по изготовлению пива было обнаружено в 1981 году при раскопках в Вавилоне. Этой инструкции, написанной клинописью на глиняных табличках, больше семи тысяч лет. А в третьем тысячелетии до Р. Х. шумеры могли поспорить о достоинствах двух десятков сортов пива. Египтяне написали о пиве на стенках пирамид сразу же, как только научились рисовать иероглифы, около пяти тысяч лет назад. По официальной версии, варить пиво их научили не соседи из Междуречья, а лично Озирис, «чтобы облегчить человеку тяготы жизни его».

На рисунке – рельеф из пирамиды в Санкаре Пятой династии (III тысячелетие до Р. Х.). Говорят, что здесь изображено комбинированное производство – пекарня с пивоварней. Египтологам видней. Полосатая штуковина в верхней левой части рисунка действительно похожа на бокал высотой с человека с шапкой пены. Может быть, это рекламный плакат?

Самому древнему китайскому трактату с описанием технологии изготовления пива четыре с половиной тысячи лет, но китайцы писали не на камне или глиняных табличках, а на непрочной бумаге, и где раньше придумали пиво – в окрестностях Эдема или на реке Янцзы, при желании можно поспорить.

Пивоварение – это сложный процесс, в котором используется две стадии ферментативной обработки сырья с помощью двух разных биотехнологических процессов. Традиционная технология пивоварения начинается с получения солода: зерно замачивают и дают ему прорасти. При этом исходный продукт сам себя подвергает ферментативной биотрансформации. В прорастающем зерне образуются альфа-амилаза и другие ферменты, которые разлагают крахмал в конечном итоге до чистой глюкозы, лучшей пищи для дрожжей. Чтобы разложение крахмала шло быстрее и полнее, солод в течение нескольких часов нагревают до 67°С – ферменты при этом работают с максимальной скоростью. Как предки додумались до таких тонкостей, непонятно. После этого солод отцеживают, а водный экстракт – сусло – кипятят вместе с шишками хмеля. Отвар хмеля, декстрины (крупные обломки молекул крахмала) и другие вещества, которые образуются в процессе приготовления сусла и при брожении, придают пиву специфический вкус и аромат.

Солод делают из необмолоченных зерен: при обмолоте вместе с отрубями удаляется зародыш, и такое зерно не прорастает. Древние шумеры, египтяне и прочие жители Ойкумены поначалу пили пиво через соломинку, чтобы не отплевываться от шелухи. Потом пиво научились фильтровать и стали пить из чашек и кувшинов.

Хмель в пиво стали добавлять в средневековой Европе, примерно тысячу лет назад.

Приоритет этого усовершенствования и даже (что совсем уже выдумки) изобретения пива в европейских народных легендах приписывают полулегендарному королю Гамбринусу. На самом деле прототип неофициального, но популярного покровителя пивоваров Ян Примус (primus по-латыни – первый), герцог Брабантский и Антверпенский, жил в XIII веке, и пиво, по свидетельству летописцев, очень любил.

А получать солод для более полного и быстрого сбраживания углеводов додумались все земледельческие народы, разве что в качестве исходного сырья каждый брал свое, народное: в Африке – просо, в Америке – кукурузу, в Азии – рис.

В Китае и его окрестностях вместо проращивания зерна догадались заквашивать сваренный на пару рис спорами плесневого грибка Aspergillus orizae, который вырабатывает альфа-амилазу ничуть не хуже, чем клетки зернового проростка. В полученный полужидкий продукт добавляют дрожжевую закваску, и после брожения получается рисовое пиво. Такой двустадийный микробиологический процесс в зависимости от свойств штаммов дрожжей (прежде всего – их устойчивости к повышенной температуре и концентрации спирта) позволяет довести крепость конечного продукта до 20 с лишним градусов по Менделееву. Традиционный японский напиток сакэ называют рисовой водкой по ошибке. Это скорее очень-очень крепкое пиво. Чего я никогда не пойму – так это зачем перед расфасовкой по бутылкам его не только не перегоняют, а наоборот, разбавляют примерно до 16 градусов.

В маленьких пивоварнях до сих пор готовят пиво по технологиям, максимально приближенным к традиционным, только закваску готовят на покупных дрожжах. Пиво получается не хуже заводского, зато намного дороже, и выпить его надо побыстрее. А на пивоваренных заводах не только используют стандартную закваску из специально выведенных штаммов дрожжей вместо осадка, оставшегося от прошлой порции пива, но и солод не проращивают, а обрабатывают дробленое зерно чистыми ферментами, выделенными из того же Aspergillus orizae, штаммов бактерий Bacillus subtilis и других микроорганизмов, выращенных в биореакторах. Это и быстрее, и надежнее, и дешевле, и ничуть не хуже, чем допотопный метод. Допотопный – это не в переносном смысле, а в буквальном: в ассирийской версии всемирного потопа герой тамошнего народного эпоса Утнапиштим взял с собой в ковчег пиво в числе прочих жизненно необходимых продуктов.

Вино

А чем таки занялся герой еврейского народного эпоса Ной сразу после того, как закончился библейский потоп? Глава единственного оставленного Господом в живых праведного семейства «… начал возделывать землю и насадил виноградник; и выпил он вина, и опьянел, и лежал обнаженным в шатре своем» (Быт 9:20,21).

Виноделие – еще одна из древнейших технологий микробиологического синтеза. В превращении глюкозы, фруктозы и сахарозы виноградного сока в спирт участвуют главным образом те же S. cerevisiae – на разных виноградниках выделено не меньше дюжины диких видов дрожжей, относящихся к этому роду. Вклад в формирование букета разных сортов вина вносят еще десятка два видов микроорганизмов – дрожжей, относящимся к другим родам, плесневых грибков и бактерий. Например, при созревании высокосортных красных вин бактерии родов Leuconostoc, Lactobacillus и Pedicoccus превращают часть яблочной кислоты в молочную. Те же бактерии для других вин являются причиной порчи. А для производства сотерна виноград еще до сбора заражают плесневым грибом Botrytis cinerea. Он играет примерно ту же роль, что и Aspergillus в производстве сакэ: покрытые плесенью ягоды теряют часть воды, и содержание сахара в их соке повышается. В результате получается крепкое и сладкое вино.

Виноделие, несмотря на прогресс науки, остается скорее искусством, чем технологией, и виноделы до сих пор предпочитают получать свою продукцию методами, максимально приближенными к допотопным. Разве что вместо природных дрожжей, испокон веку живущих на этом винограднике и на этом сорте винограда, для брожения все чаще используют специально выведенные чистые культуры, а в погоне за прибылью для ускорения процесса дозревания вина применяют даже иммобилизованные на твердом носителе молекулы бактериальных ферментов. Гордость советского виноделия – «Советское шампанское» – и игристые вина, полученные по той же прогрессивной технологии, выгоняют за три недели. Шампанское из французской провинции Шампань и игристые вина, полученные по классической технологии, не менявшейся более трех столетий, зреют три года. Может быть, большинство вин, полученных с помощью новых технологий, ничем не хуже традиционных, и отличить одно от другого может только профессиональный дегустатор. Но дегустаторы крутят профессионально красными носами и говорят понятные только другим дегустаторам профессиональные термины, а потребители, даже не чувствуя разницы, готовы платить больше за товар ручной работы, чем за конвейерную штамповку того же качества.

Вино можно делать не только из винограда, но и из любого фруктового сока с достаточной концентрацией сахаров. Самое распространенное из не-виноградных вин – яблочный сидр. Вкус сидра зависит от свойств дрожжей, живущих на поверхности яблок, или чистых культур, применяемых в промышленном производстве. Все они, в отличие от штаммов, живущих на винограде, содержат фермент полигалактуронидазу. Этот фермент расщепляет пектины до галактуроновой кислоты, отчего сидр становится светлым и прозрачным.

Александр Чубенко

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/