Целлюлозу получают не только из растений, она также производится микроорганизмами. Микроорганизм, который может продуцировать целлюлозу, называется Acetobacter. Его используют при производстве уксуса. На поверхности культуральной жидкости при производстве уксуса часто обнаруживали гелеподобную пленку, которая, как было определено около века назад, является целлюлозой. Эта целлюлоза бактериального происхождения называется бактериальной целлюлозой, в отличие от микрокристаллической целлюлозы и фибриллярной целлюлозы, получаемой из мякоти растений и т.д.

Бактериальную целлюлозу потребляли в пищу в течение многих лет в качестве десерта и называли nata de coco («рожденный из кокоса»).

4.4.1. КРАТКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Бактериальная целлюлоза, полученная ферментацией, является микробным полисахаридом, состоящим из целлюлозного волокна, продуцируемого родом xylinum, подвидом Acetobacter aceti, непатогенной бактерии.

Производство бактериальной целлюлозы складывается из следующих основных стадий.

На первой стадии культуру бактерий Acetobacter xylinum (хранящуюся при температуре -140°С) добавляют в колбы Фернбаха 2,81, в которых находится стерильная среда для выращивания культуры. Рабочий объем составляет 500 мл при рН 5 и поддерживаемой температуре 30°С.

На второй стадии снова используются колбы Фернбаха 2,81, содержащие 1000 мл среды. Инокуляция составляет 50 мл из содержимого колбы после первой стадии. Бактерии выращивают до достижения оптической плотности > 1. Используются четыре предпосевные колбы Фернбаха для ферментера первичной ферментации. Объем ферментера для первичной ферментации составляет 36 л, и он содержит такую же питательную среду, что и предшествующие культуры в колбах. В ферментере поддерживаются температура 30°С и достаточная аэрация, чтобы избежать условий недостатка кислорода. Критерием переноса является оптическая плотность более 1,5 и отрицательная окраска по Граму. Продукт ферментации применяют для инокуляции ферментера для вторичной ферментации.

Ферментер для вторичной ферментации имеет объем около 3800 л. Ведутся наблюдения за показаниями температуры, рН и растворенного кислорода. На этой стадии нити целлюлозы уже становятся заметными. Вторичный посев используется для инокуляции последнего ферментера, в данном случае его объем равен около 19 000 л. Наблюдения ведутся за параметрами рН, растворенного кислорода, генерированного диоксида углерода, температуры, глюкозы, целлюлозы и роста клетки. Ферментация занимает приблизительно 60 ч. Добавление глюкозы прекращается приблизительно за час до сбора клеток.

Микробиологический бульон сначала обезвоживают, чтобы получить осадок, содержащий приблизительно 20% сухих веществ. Затем его снова разбавляют до содержания сухих веществ 1,5-3,0%. Для регулирования рН до значения 13,1 в систему добавляют сухой гидроксид натрия, а затем систему, постоянно перемешивая для растворения микроорганизмов, нагревают до 65°С в течение двух часов. Спустя 2 ч уровень рН снова регулируют до 6-8 с помощью серной кислоты. Жидкую смесь затем снова обезвоживают, разжижают, снова обезвоживают два дополнительных раза для очистки бактериальной целлюлозы.

4.4.2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Бактериальная целлюлоза имеет такую же химическую структуру, что и целлюлоза, полученная из растений. Она представляет собой полисахарид, состоящий из линейных цепей, молекулы D-глюкозы в котором связаны β-(1→4)-связями (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Химическая структура бактериальной целлюлозы

Хотя структуры бактериальной и растительной целлюлозы совпадают, бактериальная состоит из намного более мелких волокон, которые продуцируются бактериями. Одиночные волокна бактериальной целлюлозы имеют диаметр 50 нм, и этот гидроколлоид существует в форме пучка одиночных волокон, диаметр которого равен 0,1-0,2 мкм. Длину волокон определить невозможно, так как пучки и волокна переплетены между собой и образуют структуру сетки.

Бактериальная целлюлоза нерастворима в воде, но может быть диспергирована с образованием сетки, обладающей хорошими функциональными свойствами. При набухании в воде происходит образование непрерывной трехмерной сетки, в которой волокна целлюлозы частично соединяются друг с другом. Такая трехмерная сетка обладает хорошей влагоудерживающей и загущающей способностью.

Растительная целлюлоза, которой до настоящего времени было посвящено много исследований, также нерастворима в воде. Однако в отличие от бактериальной целлюлозы в воде она существует в форме мелких частиц; она не образует трехмерную сетку и не удерживает воду, поэтому почти не влияет на вязкость и без добавления полисахарида выпадает в осадок.

Бактериальная целлюлоза при диспергировании в воде после образования трехмерной сетки проявляет псевдопластичные свойства. Из-за нерастворимости в воде она почти не вступает в реакцию с различными добавками. На трехмерную сетку, образованную крепко соединенными частями волокон целлюлозы, почти не оказывают воздействия кислоты, соли и нагревание. Кроме того, благодаря этой сетке бактериальная целлюлоза обладает замечательным свойством придания хорошей стабильности дисперсиям и эмульсиям нерастворимых веществ, масел и т.д., даже в системах с низкой вязкостью.

Жидкости, содержащие набухшую бактериальную целлюлозу, имеют очень высокие пределы текучести и обладают хорошей стабильностью суспензии и дисперсии. Это может быть объяснено тем фактом, что бактериальная целлюлоза, состоящая из очень мелких целлюлозных волокон, в жидкости образует непрерывную и очень прочную трехмерную сетку посредством целлюлозы, соединенной между собой.

Структурная сетка, образованная таким образом, является очень крепкой и в воде не растворяется, поэтому структура не изменяется под воздействием нагревания и стабильность дисперсии и суспензии сохраняется даже при высоких температурах.

Изменение рН или добавление соли не влияет на свойства жидкости после набухания бактериальной целлюлозы в воде и образования структурной сетки. В растворе, в котором соль была растворена заранее, бактериальная целлюлоза хуже набухает, что иногда приводит к плохим функциональным свойствам. Следовательно, для того чтобы бактериальная целлюлоза полностью функционировала, добавление солей и корректировку рН следует проводить после образования структурной сетки.

4.4.3. ПРИМЕНЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Добавление небольшого количества бактериальной целлюлозы в продукты придает им хорошую стабильность дисперсии и суспензии, а также, благодаря хорошему сохранению формы, короткое ощущение наполненности во рту. Эти свойства, являющиеся по большей части следствием трехмерной структуры сетки волокон, сохраняются при физической и химической обработке; они устойчивы к нагреванию, кислотам и солям.

Такие характеристики позволяют применять целлюлозу в различных пищевых продуктах и с разными целями, например для стабилизации загущения, дисперсии, суспензии и эмульсии, замещения жира, предотвращения агрегации белков и т.д.

Бактериальная целлюлоза обладает превосходным свойством стабилизации дисперсии нерастворимых сухих веществ в какао-напитках, напитках из порошкообразного зеленого чая, напитках, обогащенных кальцием, и др. Например, порошок какао, используемый в приготовлении какао-напитка, нерастворим в воде, что вызывает его оседание без диспергирования. Для предотвращения оседания использовались различные полисахариды; до настоящего момента применяются некоторые стабилизаторы, состоящие преимущественно из микрокристаллической целлюлозы, но результаты такого применения недостаточно хороши. Использование бактериальной целлюлозы позволяет решить проблему, это является следствием того, что в воде бактериальная целлюлоза образует нерастворимую структурную сетку из очень мелких волокон, которая включает нерастворимые сухие вещества и тем самым предотвращает их выпадение в осадок.

Более того, структурная сетка, образованная нерастворимыми, частично соединенными между собой волокнами целлюлозы, имеет высокий предел текучести и, следовательно, обладает хорошей способностью к диспергированию. Таким образом, добавление небольшого количества бактериальной целлюлозы может оказать достаточное воздействие, не вызывая при этой повышения вязкости. Хотя вязкость полученных напитков немного выше благодаря нерастворимости бактериальной целлюлозы в воде, вкус остается ярко выраженным и не возникает ощущения густоты. Другой особенностью бактериальной целлюлозы является то, что ее способность к диспергированию снижается незначительно даже при высоких температурах, так как ее структурная сетка остается нерастворимой в воде.

Бактериальная целлюлоза улучшает также стабильность замороженных молочных десертов и придает им кремовый насыщенный вкус.

До настоящего времени для диспергирования фруктовой мякоти в желе требовалось достижение определенных значений вязкости и содержания сахара, а также регулирование температуры гелеобразования. Даже при высоких температурах, например в ходе процессов, при которых происходит уничтожение микробов и т.п., бактериальная целлюлоза сохраняет трехмерную сетку и может поддерживать постоянный уровень дисперсии фруктовой мякоти в желе. Таким образом, использование бактериальной целлюлозы позволяет равномерно распределить сухое вещество в системе, при этом не требуется корректировать другие параметры.

Бактериальная целлюлоза применяется и в производстве низкокалорийных пищевых продуктов, придавая продуктам хорошую консистенцию и в то же время кремовый вкус, который остается во рту непродолжительное время. Продукт с содержанием бактериальной целлюлозы также быстро тает во рту и обладает легко ощущаемым вкусом и ароматом.

Более того, при нагревании свойства продукта изменяются лишь незначительно, т.е. бактериальная целлюлоза всегда придает стабильность ощущению продукта во рту.

Бактериальная целлюлоза была утверждена как общепринятая безопасная добавка (GRAS) и разрешена к применению, в том числе и в Российской Федерации.

Контрольные вопросы и задания

• Какие микробиологически синтезированные гидроколлоиды применяются в пищевой промышленности?
• Опишите краткую схему производства ксантановой камеди.
• Что представляет собой ксантановая камедь с точки зрения своей структуры?
• Опишите основные свойства ксантановой камеди.
• Где находит применение ксантановая камедь?
• Опишите краткую схему производства геллановой камеди.
• Что представляет геллановая камедь с точки зрения своей структуры?
• Какие процессы необходимо принимать во внимание для успешного составления смесей геллановой камеди?
• Где находит применение геллановая камедь?
• Опишите краткую схему производства курдлана.
• Что представляет собой курдлан с точки зрения своей структуры?
• Опишите основные свойства курдлана.
• Где находит применение курдлан?
• Опишите краткую схему производства бактериальной целлюлозы.
• Что представляет собой бактериальная целлюлоза с точки зрения своей структуры?
• Опишите основные свойства бактериальной целлюлозы.
• Где находит применение бактериальная целлюлоза?