Меню
Ферментация, брожение и ферментер 1


У нас было 2 молекулы глюкозы, несколько десятков ферментов, цепи крахмала, молочная кислота или лактат, ферментёр, доверху заполненный суслом, и целое море разнообразных метаболитов, бактерий и плесневых грибов. Не то, чтобы это было уж очень необходимо для приготовления острого соуса, но если уже браться за ферментацию, то к делу надо подходить серьёзно.

 

Прежде чем вести речь о ферментации и ферментированных продуктах, стоит разобраться с определениями. Потому что из-за сходства в звучании и расхождения в значении между английскими и рускими терминами, часто возникает путаница. Следовательно, с английского языка слово fermentation одновременно переводится и как "брожение" (процесс анаэробного получения энергии из сахаров и изредка аминокислот), и как "ферментация" (биологический процесс, во время которого желаемым образом модифицируются те или иные вещества). Особенность ферментации в том, что она может происходить и без участия микроорганизмов, а исключительно за счёт собственных ферментов в тканях, которые поддаются такой обработке. Например, большинство сортов чая ферментируются за счёт собственных ферментов оксидаз, благодаря чему листья приобретают нужный цвет и вкус.

Аналогичный процесс происходит и при потемнении яблок на срезе: полифенолоксидазы в присутствии кислорода воздуха окисляют полифенолы яблока с образованием хинона, который, в свою очередь, окисляют аминокислоты с образованием меланина - пигмента коричневого цвета.

         Также не следует путать ферментацию как процесс получения продуктов питания с процессом промышленного культивирования микроорганизмов в биореакторах с целью получения разнообразных ценных продуктов от биотоплива до заменителей животного белка и антител. Хотя биореакторы и называются ферментёрами, а организмы, которые выращиваются в них, осуществляют процесс брожения, целевой продукт, как правило, продуктом брожения не является. Кроме того, существует технология применения ферментов, выделенных из микроорганизмов, для расщепления сложных молекул, например, крахмала. Благодаря этому из крахмала можно получить глюкозно-фруктозный сироп или другие сахара, при этом микроорганизмы непосредственно не используются, нужны лишь их очищенные ферменты. Брожения при этом не происходит, фермент только "разрезает" большую молекулу на маленькие составляющие. Этот метод называется ферментативным гидролизом. Поэтому во всех книгах и статьях по пищевой биохимии в начале всегда приводится определение, что именно они называют ферментацией.


 

От Междуречья до кимчи

Ферментация - уникальный биотехнологический процесс, который позволяет не только сохранять еду и напитки в течение длительного времени, но и значительно повышать пищевую ценность продуктов и создавать принципиально новые. Изобретение этого способа приготовления продуктов питания теряется в далёком прошлом. Древние охотники-собиратели были вынуждены переживать длительные периоды без свежих плодов и мяса, потому употребление в пищу подгнившей еды было не редкостью, что со временем переросло в технологии длительного хранения продуктов. Археологические находки свидетельствуют о том, что искусство ферментации происходит из Индийского субконтинента, из поселений, которые предшествовали Хараппской цивилизации в долине реки Инд. На территории Плодородного Полумесяца ферментация возникла приблизительно одновременно со скотоводством. Артефакты, обнаруженные около Невшательського озера, свидетельствуют о том, что производство сыра на территории Швейцарии существовало ещё за 6000 лет до нашей эры, а Гомер даже описывал циклопа Полифема как сыровара. Приготовление хлеба встречается в египетских папирусах, датированных 2700-2500 годами до нашей эре, а уже в ІІІ веке после Рождества Христового в Афинах были известно 72 разновидности хлеба. Научное обоснование ферментация получила лишь в ХІХ веке благодаря Луи Пастеру, который экспериментально доказал, что брожение происходит благодаря живым микроорганизмам, и таким образом опроверг господствующую в то время теорию самозарождения жизни. С ростом городского населения росли и объёмы промышленного производства продуктов питания, от использования случайных естественных штаммов микроорганизмов перешли к стандартизированным закваскам, которые позволяют получать безопасную продукцию однородного качества. [1].


 Типы брожения

Брожение - анаэробный процесс, в ходе которого молекулы углеводов и их производных частично окисляются ферментами с выделением энергии. Частично - потому что полное окисление до воды и углекислого газа возможно только при наличии кислорода.

Если в среде присутствуют простые сахара (фруктоза, глюкоза, галактоза), дрожжи сбраживают их до спиртов, а бактерии - до органических кислот. Если в среде есть сложные углеводы - полисахариды, их предварительно нужно расщепить, чтобы сделать доступными для брожения. Необходимые ферменты могут синтезировать плесневые грибы, например, в процессе изготовления соевого соуса, гриб Aspergillus oryzae выделяет ферменты, которые расщепляют крахмал соевых бобов до глюкозы, которая дальше используется в реакции брожения. Как источник ферментов в пивоварении используют солод, который является проросшим зерном: во время прорастания крахмал в зерне расщепляется до простых сахаров, а в зерне накапливается большое количество ферментов, которые обеспечивают этот процесс.

По типу конечного продукта выделяют следующие основные типы брожения:

 •    Молочнокислое гомоферментативное с образованием из глюкозы исключительно молочной кислоты;

 •   Молочнокислое гетероферментативное, во время которого из глюкозы в равных соотношениях образуется молочная кислота и этанол, а также уксусная кислота и углекислый газ;



Последовательность реакций при гомоферментативном (слева) и гетероферментативном (справа) молочнокислом брожении.

      •         Пропионовокислое - из глюкозы образуется пропионовая и уксусная кислоты;

      •         Спиртовое брожение - из глюкозы образуются этанол и углекислый газ. [2].


Классификация ферментированных продуктов

Ферментированные продукты можно классифицировать по типу сырья и по способу биохимического превращения веществ. Вторая классификация кажется более логичной, ведь один и тот же тип брожения может происходить и в растительных, и в животных продуктах. Однако классификации всё равно накладываются одна на другую, ведь в одном продукте может происходить несколько процессов сразу, или они могут идти в несколько стадий, потому что каждый ферментированный продукт образуется благодаря целому сообществу микроорганизмов, где у каждого вида есть своя роль и результат его деятельности.

        Первый тип - продукты, в которых вследствие молочнокислого брожения накапливаются органические кислоты, в частности, молочная, уксусная и пропионовая. Кислоты приводят к снижению рН и появлению кислого вкуса, а также изменяют текстуру продукта и могут повышать его пищевую ценность. Например, за счёт повышения растворимости минеральных элементов, благодаря чему они лучше усваиваются человеческим организмом. Таким способом ферментируется большинство фруктов, овощей, злаков, молочных продуктов. Иногда так готовят мясные и рыбные продукты, но для этого нужен дополнительный источник углеводов. Так в Азии традиционно готовят ферментированную рыбу с рисом: молочная кислота не дает рыбе испортиться.

Второй тип - продукты, созданные благодаря спиртовому брожению. Этиловый спирт образуется в результате жизнедеятельности дрожжей, гетероферментативных молочнокислых бактерий и некоторых плесневых грибов. Само спиртовое брожение используется при приготовлении хлеба, хотя главным при этом является не спирт, а углекислый газ, благодаря которому тесто поднимается. Этанол же вступает в реакции с другими веществами теста, обеспечивая приятный хлебный аромат. Конечно же, спиртовое брожение наиболее известно как способ изготовления алкогольных напитков. Самым простым является использование растительных соков, богатых простыми сахарами, однако этот метод плохо работает в холодное время года. Зато зерно хранится достаточно долго…вероятно, примерно так шотландцы в своё время и придумали виски. Крахмал не может вступать в реакцию брожения, поэтому зерно проращивают перед тем, как готовить из него спиртное. Однако в Азии изобрели другой способ разрушить крахмал: варёное зерно обрабатывают специальной закваской, содержащей дрожжи и плесневые грибы, которые выделяют ферменты, способные отщеплять от молекулы крахмала молекулы глюкозы по одной.


Cтруктура крахмала, образованного молекулами глюкозы.


         Третий тип ферментации - щелочная, во время которой рН возрастает до 7-8 из-за накопления аммиака. Этот процесс происходит во время ферментации семян зернобобовых культур, богатых белком. При этом растительное сырьё поддаётся действию ферментов, которые расщепляют белки и преобразуют пептиды и аминокислоты, то есть эта ферментация не является брожением. Как правило, такие продукты имеют специфический запах и консистенцию. Например, натто, традиционное японское блюдо из сброженных соевых бобов, имеет сильный аммиачный аромат, липкое и тягучее, потому большинству иностранцев оно не приходится по вкусу, и даже в Японии не пользуется особенной популярностью.

Четвёртый тип ферментации осуществляется плесневыми грибами. Существует тысячи видов плесневых грибов, однако лишь несколько видов пригодны для приготовления безопасных пищевых продуктов. Они выделяются тем, что формируют плотный съедобный мицелий, образуют вещества с привлекательным запахом и вкусом, и при этом синтезируют ферменты, которые способны должным образом модифицировать сырьё. Этот тип ферментации присущ азиатской кухне. Ангкак, красный ферментированный рис, является блюдом китайской кухни. Его готовят путём ферментации варёного риса с плесневым грибом Monascus, который синтезирует пигменты красного цвета, а также ловастатин - вещество, которое подавляет синтез холестерина и имеет, как считается, полезные для здоровья свойства.
           Пятый тип ферментации - рассольная. Её осуществляют виды микроорганизмов, которые способны выживать в солёных растворах. Особенностью ферментации в рассоле является небольшая скорость, а также способность солевых растворов повышать растворимость ферментов. Это свойство используется в приготовлении азиатских рыбного и соевого соусов. Соевый соус готовится в 2 стадии: первая имеет название "кочи", она проходит в твёрдом состоянии и длится 3-5 дней. Во время кочи образуется плотная масса соевых бобов, покрытых мицелием грибов, которые синтезируют разнообразные ферменты. Вторая стадия называется "мороми" и происходит в рассоле, где в течение нескольких месяцев молочнокислые бактерии и дрожжи медленно модифицируют сырьё с образованием характерного вкуса и запаха соевого соуса. Рассольная ферментация в комбинации с сушением используется и в приготовлении мясных продуктов, таких как салями. Для этого измельчённое мясо, жир, специи, соль и закваска микроорганизмов перемешиваются до однородности, начиняются в естественную или искусственную оболочку и выдерживаются в тёплом рассоле, где развиваются молочнокислые бактерии и происходит молочнокислое брожение. Благодаря этому накапливается молочная кислота, которая является консервантом, и после этого продукт высушивают до нужного уровня влажности [3].


                                                                                          Ферментированный соус из острого перца

Большинство традиционных ферментированных продуктов образуются благодаря сложному сочетанию процессов жизнедеятельности разных микроорганизмов. Наиболее популярными овощами для ферментации являются капуста, огурцы и оливки, однако в действительности для этого подходят почти любые овощи и их смеси, ведь все они содержат сахара, которые используются во время брожения. Все части растения служат естественной средой для самых разнообразных микроорганизмов - бактерий, дрожжей, плесневых грибов. Поскольку поверхность растений контактирует с атмосферным воздухом, по большей части она заселена аэробными бактериями и грибами, а также факультативными анаэробами. Это те организмы, которые способны жить и при наличии кислорода, и при его отсутствии. Молочнокислые бактерии, основные действующие лица процесса брожения, являются анаэробами, то есть организмами, которые погибают от кислорода, потому на растениях они присутствуют в очень небольших количествах. Молочнокислое брожение во время ферментации овощей осуществляет не какой-то один вид бактерий, а целый их ряд, причём каждая группа бактерий растёт в среде в течение определённого времени. Впоследствии из-за накопления продуктов метаболизма, их рост тормозится или прекращается совсем, после чего начинает активно развиваться другая группа. При этом очень важно обеспечить анаэробные условия, без доступа атмосферного воздуха, иначе вместо молочнокислых бактерий начнут развиваться аэробные бактерии и грибы, которые вызывают гниение и образование плесени.

Для приготовления соуса плоды перца сначала превращают в однородную массу, и уже через несколько часов начинается процесс молочнокислого брожения, который может длиться, в зависимости от температуры, от одной до нескольких недель. Пока ёмкость с перечным суслом ещё содержит некоторое количество кислорода, среди бактерий преобладают факультативные анаэробы, однако уже через 1-2 дня, среда становится бескислородной и в ней начинают преобладать молочнокислые бактерии, которые сбраживают сахара до молочной кислоты с образованием небольшого количества уксусной кислоты и этилового спирта. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением углекислого газа. Некоторые бактерии синтезируют ферменты, которые расщепляют полисахариды клеточных стенок, такие как крахмал, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины, создавая дополнительный субстрат для брожения. Во время этих сложных превращений образуется большое количество побочных продуктов, среди которых - спирты и органические кислоты, которые вступают в реакцию этерификации с образованием летучих соединений с приятным запахом, - эстеров. Поэтому запах ферментированного соуса богаче, чем аромат самого перца, ведь в нём образуются новые душистые вещества. Кроме того, в сусло высвобождаются и те соединения, которые уже содержались в плодах, образовывая вместе уникальный букет. Помимо улучшения вкусо-ароматических качеств, эти вещества ещё и подавляют рост дрожжей.

С накоплением кислоты в сусле, его рН снижается приблизительно до 4.5, скорость брожения замедляется, ведь в такой среде могут выживать лишь кислотоустойчивые бактерии, которые и сбраживают оставшиеся сахара. По завершению ферментации рН уже составляет около 3.4, что угнетает рост подавляющего большинства микроорганизмов, поэтому такое сусло может храниться очень долго, при условии полного отсутствия доступа воздуха [4]

Что же происходит во время ферментации с капсаициноидами? Они не участвуют в брожении, однако некоторая их часть может нейтрализоваться кислотами. Растворимость капсаициноидов в водных растворах, а именно такими являются растворы кислот, достаточно невысокая, поэтому большая их часть останется неизменной. Однако, некоторые виды бактерий способны использовать капсаициноиды как субстрат для роста, потому они могут существенно снижать остроту сусла. Выделены даже отдельные штаммы таких бактерий, их используют для приготовления полностью неострых соусов из острого сырья. Интересно, что такие виды бактерий сосуществуют с растениями перца, но точное их количество невозможно предвидеть и контролировать во время ферментации. Именно поэтому ферментированный острый соус является уникальным продуктом, вкус и острота которого зависят не только от собственно плодов перца, но и от целого сообщества микроорганизмов [5].


Польза ферментированных продуктов для здоровья и общества

Ферментированные продукты имеют более высокую пищевую ценность, чем такие же сырые, они легче усваиваются, потому что во время ферментации большие молекулы питательных веществ расщепляются на более мелкие, накапливаются пробиотики и витамины. Продукты спиртового брожения имеют повышенное содержание витаминов группы В - рибофлавина, биотина, тиамина и никотиновой кислоты. Поэтому благодаря локальным слабоалкогольным напиткам население развивающихся стран может частично компенсировать дефицит витаминов, который возникает из-за обеднённого рациона. Например, в пальмовом вине, которое готовят в Западной Африке, высокое содержание витамина В12, дефицит которого развивается при малом количестве продуктов животного происхождения в питании.

Микроорганизмы синтезируют ферменты, которых нет в человеческом организме, такие как целлюлазы, которые расщепляют растительную клетчатку, превращая ее в простые легкоусвояемые сахара. Производство ферментированных продуктов позволяет уменьшить количество пищевых отходов, ведь этот процесс позволяет использовать растительные остатки, такие как кожицы ананасов для фруктового уксуса и арахисовую макуху для темпе. Существует огромное множество традиционных локальных ферментированных продуктов, производство которых является одной из составляющих концепции устойчивого развития.

Ферментация делает продукты безопаснее. Они имеют более длительный срок хранения, при этом количество витаминов и полезных веществ в них не уменьшается, в отличие от консервированных. В качестве консервантов выступают органические кислоты, этанол, диацетил и бактериоцины - вещества с антимикробными свойствами, синтезированные бактериями. Благодаря ферментации могут разрушаться опасные для человека растительные вещества. Корни маниоки становятся съедобными лишь после ферментации, во время которой они избавляются от цианогенных гликозидов, являющихся источником цианида в необработанных корнях.

В ферментированных продуктах содержатся бактерии, некоторые виды которых способны заселять кишечник человека, дополняя нормальную микрофлору. Пробиотики подавляют рост нежелательных микроорганизмов, способствуют перевариванию еды и оказывают позитивное влияние на здоровье и самочувствие, при этом сам растительный ферментированный продукт является источником пребиотиков - веществ, которыми питается микрофлора кишечника. Употребление некоторых ферментированных продуктов ведёт к снижению риска сердечно-сосудистых заболеваний и уровня холестерина в крови. Во-первых, потому, что часто ферментированные продукты имеют растительное происхождение, а растительная еда в целом коррелирует со снижением риска возникновения многих болезней. Во-вторых, некоторые штаммы молочнокислых бактерий способны усваивать холестерин в кишечнике, снижая его всасывание в кровь [6].

Влияние растительных ферментированных продуктов на здоровье человека, в частности, на его микрофлору, сейчас активно изучается. Лишь сравнительно недавно появились инструменты для исследования микробиома желудочно-кишечного тракта, и уже сейчас можно с уверенностью утверждать, что состав и многообразие микробиоты влияет едва ли не на все процессы в человеческом организме - от иммунитета до настроения и интеллектуальных способностей. Именно поэтому сегодня ферментация продуктов питания уже не является исключительно способом длительного хранения, а скорее технологией создания продуктов с повышенной пищевой ценностью, уникальными свойствами и пользой для здоровья. Пока что нет клинических исследований, которые бы рекомендовали, сколько квашеной капусты или солёных огурцов нужно съедать в день, однако ведущие нутрициологические организации единогласно советуют употреблять как можно больше разнообразной растительной еды. Ферментированные овощные продукты - замечательный способ открыть для себя новые пути раздражения вкусовых рецепторов и порадовать своих маленьких друзей-бактерий.


 

1. (2016). Basic Principles of Food Fermentation. Food Microbiology: Principles into Practice: 228-252.

2. Ray, R. and V. Joshi (2014). Fermented Foods: Past, Present and Future.

3. Nout, M. J. R. (2014). Food Technologies: Fermentation. Encyclopedia of Food Safety. Y. Motarjemi. Waltham, Academic Press: 168-177.

4. (2016). Fermented Vegetables and Fruits. Food Microbiology: Principles into Practice: 313-348.

5. Cho, S., J.-M. Kim, et al. (2015). "Fermentation of hot pepper juice by Bacillus licheniformis to reduce pungency." Journal of the Korean Society for Applied Biological Chemistry 58(4): 611-616.

6. Voidarou, C., Μ. Antoniadou, et al. (2020). "Fermentative Foods: Microbiology, Biochemistry, Potential Human Health Benefits and Public Health Issues." Foods 10(1).