Natura pozwala cieszyć się korzyściami, które są w niej dostępne. Jednocześnie ludzie starają się powiększać te bogactwa, tworzyć coś nowego i poznawać nieznane. Bakterie to najmniejsze stworzenia natury, które ludzie również nauczyli się wykorzystywać do własnych celów.
Ale nie tylko szkody związane z procesami chorobotwórczymi i chorobami są niesione przez te organizmy prokariotyczne. Są również źródłem ważnego procesu przemysłowego, z którego ludzie korzystali od czasów starożytnych - fermentacji. W tym artykule zastanowimy się, czym jest ten proces i jak konkretnie przebiega fermentacja kwasu mlekowego substancji.
Historia występowania i wykorzystania fermentacji
Pierwsza wzmianka, że proces fermentacji był używany przez ludzi w celu uzyskania określonych produktów, pojawiła się już w 5000 rpne. To właśnie wtedy Babilończycy wykorzystali tę metodę do uzyskania produktów takich jak:
- ser;
- wino;
- mleko zsiadłe i inneprodukty mleczne.
Później podobną żywność zaczęto otrzymywać w Egipcie, Chinach, Sudanie, Meksyku i innych starożytnych państwach. Zaczęli piec chleb drożdżowy, fermentować rośliny warzywne i pojawiły się pierwsze próby konserwowania.
Proces fermentacji kwasu mlekowego jest używany przez ludzi od tysięcy lat. Sery, kefiry, jogurty zawsze były ważną częścią posiłku. Wszyscy lekarze i uzdrowiciele wiedzieli o zaletach tych produktów. Jednak powody, dla których taka transformacja jest możliwa, przez długi czas pozostawały nieznane.
Faktu, że warunki fermentacji wymagają obecności mikroorganizmów, ludzie nie mogli sobie nawet wyobrazić. W połowie XVII wieku Van Helmont zaproponował wprowadzenie terminu „fermentacja” dla tych procesów gotowania, którym towarzyszy uwalnianie gazu. W końcu w tłumaczeniu to słowo oznacza „gotowanie”. Jednak dopiero w XIX wieku, czyli prawie dwieście lat później, francuski mikrobiolog, chemik i fizyk Louis Pasteur odkrył światu istnienie drobnoustrojów, bakterii.
Od tego czasu stało się wiadome, że różne rodzaje fermentacji wymagają obecności różnych rodzajów drobnoustrojów niewidocznych dla oka. Ich badania umożliwiły z biegiem czasu kontrolowanie fermentacji i skierowanie jej we właściwym kierunku dla człowieka.
Istota procesów fermentacji
Jeśli mówimy o procesie fermentacji, powinniśmy zwrócić uwagę na jego biochemiczną naturę. Przecież w swej istocie jest to po prostu aktywność bakterii, które pozyskują dla siebie energię na całe życie, jednocześnie wytwarzając różneprodukty uboczne.
Ogólnie fermentację można opisać jednym słowem – utlenianie. Beztlenowy rozkład substancji pod wpływem określonych bakterii, co prowadzi do powstania szeregu produktów. Jaka substancja jest podstawą, a także jaki będzie rezultat, zależy od samego rodzaju procesu. Istnieje kilka opcji fermentacji, więc istnieje klasyfikacja dla tych przekształceń.
Klasyfikacja
Istnieją trzy główne rodzaje fermentacji.
- Alkohol. Polega na utlenianiu pierwotnej cząsteczki węglowodanu do alkoholu etylowego, dwutlenku węgla, wody i cząsteczki ATP (źródło energii). Przemiany te zachodzą pod wpływem nie tylko bakterii, ale także grzybów różnych rodzajów i gatunków. W ten sposób od czasów starożytnych pozyskiwano takie produkty jak piwo, wino, drożdże piekarskie i alkohol. Energia uwalniana podczas rozkładu węglowodanów jest zużywana na zapewnienie procesów życiowych drobnoustroju. To jest biologiczna esencja procesu.
- Fermentacja kwasu mlekowego to utlenianie węglowodanów do kwasu mlekowego z uwolnieniem szeregu produktów ubocznych. Jak to się odbywa i jakie rodzaje się dzieje, rozważymy bardziej szczegółowo dalej.
- Kwas masłowy. Ten rodzaj fermentacji jest ważny w naturalnej skali. Odbywa się to dzięki żywotnej aktywności bakterii kwasu masłowego, które żyją w warunkach beztlenowych na dnie bagien, mułu rzecznego i tak dalej. Dzięki ich pracy w naturze przetwarzana jest ogromna ilość składników organicznych. Produkty to wiele substancji, z których główną jestkwas masłowy. Emitowane również: aceton, alkohol izopropylowy, dwutlenek węgla, kwas octowy, kwas mlekowy, alkohol etylowy i inne związki.
Każdy z wyznaczonych typów ma znaczenie zarówno w skali naturalnej, jak i przemysłowej. Rodzaje organizmów, które przeprowadzają takie przemiany, są dziś dobrze przebadane, a wiele z nich jest hodowanych sztucznie w celu uzyskania dużej wydajności produktu.
Fermentacja kwasu mlekowego: ogólna koncepcja
Ten rodzaj fermentacji jest znany od starożytności. Jeszcze przed naszą erą mieszkańcy starożytnego Egiptu i innych państw umieli wytwarzać sery, warzyć piwo i wino, piec chleb, fermentować warzywa i owoce.
Dziś do fermentowanych produktów mlecznych stosuje się specjalne kultury starterowe, a szczepy niezbędnych mikroorganizmów są sztucznie hodowane. Proces został unowocześniony i doprowadzony do automatyzacji, realizowany przy pomocy kompletnego wyposażenia. Istnieje wielu producentów, którzy bezpośrednio produkują fermentację mlekową.
Istotę całego procesu można podsumować w kilku akapitach.
- Głównym produktem jest węglowodan - prosty (fruktoza, glukoza, pentozy) lub złożony (sacharoza, skrobia, glikogen i inne).
- Tworzą się warunki beztlenowe.
- Do produktu dodawane są szczepy bakterii kwasu mlekowego określonego typu.
- Zapewnione są wszystkie niezbędne czynniki zewnętrzne, które są optymalne dla pożądanego produktu: oświetlenie, temperatura, obecność pewnych dodatkowychkomponenty, ciśnienie.
- Po zakończeniu procesu fermentacji produkt jest przetwarzany i wszystkie związki uboczne są izolowane.
Oczywiście jest to tylko ogólny opis tego, co się dzieje. W rzeczywistości na każdym etapie zachodzi wiele złożonych reakcji biochemicznych, ponieważ proces fermentacji kwasu mlekowego jest wynikiem życiowej aktywności istot żywych.
Podstawy procesu fermentacji kwasu mlekowego
Z chemicznego punktu widzenia te przemiany są serią następujących po sobie etapów.
- Po pierwsze, następuje zmiana w pierwotnym podłożu, to znaczy zmienia się łańcuch węglowy substancji (węglowodanów). Prowadzi to do pojawienia się związków pośrednich o zupełnie innym charakterze, należących do różnych klas. Na przykład, jeśli początkowym substratem jest glukoza, to jest ona przekształcana w kwas glukonowy.
- Reakcje utleniania-redukcji, którym towarzyszy uwalnianie gazów, powstawanie produktów ubocznych. Główną jednostką w całym procesie jest kwas mlekowy. To ona jest produkowana i gromadzi się podczas fermentacji. Nie jest to jednak jedyne połączenie. Powstają więc cząsteczki kwasu octowego, alkoholu etylowego, dwutlenku węgla, wody, a czasem innych towarzyszących.
- Wydajność energetyczna procesu w postaci cząsteczek kwasu adenozynotrifosforowego (ATP). Na cząsteczkę glukozy są 2 cząsteczki ATP, ale jeśli wyjściowy substrat ma bardziej złożoną strukturę, na przykład celulozę, to są trzy cząsteczki ATP. Energia ta jest wykorzystywana przez bakterie kwasu mlekowego do dalszego życia.
To naturalnejeśli rozumie się szczegółowo przemiany biochemiczne, to należy wskazać wszystkie cząsteczki pośrednie i kompleksy. Takich jak:
- kwas pirogronowy;
- adenozynodifosforan;
- cząsteczki difosforanu nikotynaminy jako nośnika wodoru i innych.
Jednak problem ten zasługuje na szczególną uwagę i należy go rozpatrywać z punktu widzenia biochemii, dlatego nie będziemy go w tym artykule poruszać. Przyjrzyjmy się bliżej, jaka jest technologia wytwarzania produktów kwasu mlekowego i jakie rodzaje fermentacji istnieją.
Fermentacja homofermentacyjna
Homofermentatywna fermentacja mlekowa polega na wykorzystaniu specjalnych form patogenów i różni się od heterofermentacyjnej produktami i ich ilością. Występuje na szlaku glikolitycznym wewnątrz komórki drobnoustroju. Najważniejsze jest, jak w przypadku każdej fermentacji, konwersja węglowodanów w kwas mlekowy. Główną zaletą tego procesu jest to, że wydajność pożądanego produktu wynosi 90%. A tylko reszta idzie na związki boczne.
Fermentacja bakteryjna tego typu następujących gatunków:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus i inne.
Jakie inne substancje powstają w wyniku fermentacji homofermentacyjnej? Są to połączenia takie jak:
- alkohol etylowy;
- kwasy lotne;
- dwutlenek węgla;
- kwas fumarowy i bursztynowy.
Jednak ta metoda otrzymywania sfermentowanych produktów mlecznych praktycznie nie jest stosowana w przemyśle. Jest zachowany w naturze jako początkowy etap glikolizy, występuje również w komórkach mięśniowych ssaków podczas intensywnego wysiłku fizycznego.
Technologia wytwarzania niezbędnych produktów do żywienia człowieka polega na wykorzystaniu takich początkowych węglowodanów jak:
- glukoza;
- sacharoza;
- fruktoza;
- mannoza;
- skrobi i kilka innych.
Bakterie homofermentacyjne nie są w stanie utlenić wielu z tych związków, więc ich użycie jako kultur starterowych w produkcji nie jest możliwe.
Heterofermentacyjna fermentacja kwasu mlekowego
Ta metoda jest dokładnie stosowaną przemysłowo, dzięki której odbywa się produkcja wszystkich sfermentowanych produktów mlecznych, konserwuje się warzywa i zbiera paszę na kiszonkę dla zwierząt gospodarskich.
Główną różnicą w stosunku do opisanej wcześniej jest to, że patogeny przeprowadzają fermentację kwasu mlekowego z wytworzeniem większej liczby produktów ubocznych. Tylko 50% cukru jest przetwarzane przez bakterie na kwas mlekowy, reszta trafia do powstania cząsteczek takich jak:
- kwas octowy;
- gliceryna;
- dwutlenek węgla;
- alkohol etylowy i inne.
Jak to jest lepsze i bardziej opłacalne niż tworzenie 90% czystego kwasu mlekowego metodą homofermentacyjną? Chodzi o to, że kiedy wytwarzany jest główny produktza dużo, wtedy żywotna aktywność wielu bakterii jest całkowicie zahamowana. Ponadto produkty tracą wiele walorów smakowych, które nabywają dzięki związkom pobocznym. Na przykład przyjemny aromat warzyw w puszkach zapewniają kwas octowy i alkohol izoamylowy. Jeśli te związki nie są obecne, to wynik konserwacji będzie zupełnie inny.
Wydajność 50% kwasu mlekowego jest wystarczająca, aby zahamować rozwój i aktywność życiową wszystkich obcych grzybów i mikroorganizmów w systemie. Bo nawet 1-2% powoduje zbyt silne zakwaszenie środowiska, w którym nie mogą istnieć żadne inne organizmy poza bakteriami kwasu mlekowego. Cały proces przebiega na szlaku pentozofosforanowym.
Warunki fermentacji dla metody heterofermentacyjnej powinny być następujące:
- dobry i świeży starter dodany na początkowym etapie;
- optymalne warunki zewnętrzne, które są dobierane indywidualnie dla każdego produktu;
- wysokiej jakości i dobrze działający sprzęt;
- wszystkie urządzenia techniczne niezbędne do procesu.
Wśród warunków zewnętrznych szczególne znaczenie ma temperatura procesu. Nie powinno być zbyt wysokie, ale zimno drastycznie spowolni cały przebieg fermentacji.
Dziś istnieje specjalistyczny zbiornik fermentacyjny, który automatycznie tworzy wszystkie niezbędne warunki do prawidłowego i komfortowego funkcjonowania mikroorganizmów.
Wymagany sprzęt
Jak zauważyliśmy powyżej, wśród najważniejszych atrybutównależy zwrócić uwagę na zdolność do fermentacji. Jeśli mówimy o procedurze domowej, należy zwrócić uwagę na czystość naczyń używanych podczas konserwacji, produkcji jogurtu i innych produktów. Jednym ze sposobów zmniejszenia liczby obcych populacji mikroorganizmów jest sterylizacja pojemników przed ich użyciem.
Które naczynia nadają się do fermentacji heterofermentacyjnej? Może to być pojemnik szklany lub wysokiej jakości plastik (polipropylen, polietylen), który można szczelnie zamknąć pokrywką.
Przemysł używa specjalnych urządzeń do dezynfekcji i czyszczenia pojemników przed rozpoczęciem procesu fermentacji.
Bakterie wykorzystywane w procesie
Jeśli mówimy o kulturach bakteryjnych, które są używane do tworzenia produktów mlecznych w puszkach i fermentowanych, możemy zidentyfikować kilka najpowszechniejszych rodzajów organizmów.
- Kwasowy kij bułgarski.
- Lactobacillus gatunek Sporolaktobacillus inulinus.
- Bifidobakterie.
- Leukostocks.
- Koks kwasu mlekowego.
- Lactobacillus gatunek L. Casei.
- Bakterie z rodzaju Streptococcus i inne.
Na podstawie kombinacji i czystych kultur wskazanych organizmów powstają kultury starterowe do fermentowanych produktów mlecznych. Są w domenie publicznej, każdy może je kupić. Najważniejszą rzeczą jest obserwowanie warunków procesu fermentacji w celu skorzystania z powstałegoprodukt.
Jakie produkty uzyskuje się z tej fermentacji?
Jeśli mówimy o tym, jakie produkty fermentacji można uzyskać za pomocą lactobacilli, możemy wymienić kilka głównych kategorii.
- Mleko fermentowane (sfermentowane mleko pieczone, jogurty, warenety, kefir, twarożek, śmietana, masło, produkty acidophilus i inne).
- Pasza typu silos dla zwierząt gospodarskich.
- Kwas mlekowy, który jest używany do produkcji napojów bezalkoholowych, ubierania skór futerkowych i nie tylko.
- Pieczenie, produkcja sera.
- Owoce i warzywa w puszkach.
Wszystko to dowodzi znaczenia niektórych rodzajów bakterii w życiu ludzi, ich działalności przemysłowej.
