Процес ферментації, бродіння та ферментер

Процес ферментації, бродіння та ферментер

У нас було 2 молекули глюкози, кільканадцять ферментів для ферментації, ланцюжок крохмалю, молочна кислота або лактат, доверху заповнений суслом ферментер, і ціле море різноманітних метаболітів, бактерій та цвілевих грибів. Не те, щоб це конче було необхідно для приготування гострого соусу, але якщо вже братися за ферментацію, то до справи потрібно підходити серйозно.

Перш ніж вести мову про ферментацію та ферментовані продукти, варто розібратися з визначеннями. Бо через схожість у звучанні та розбіжність у значенні між англійськими та українськими термінами, часто виникає плутанина. Отже, з англійської мови слово fermentation одночасно перекладається і як «бродіння» (процес анаеробного отримання енергії із цукрів та зрідка амінокислот), і як «ферментація» (біологічний процес, під час якого бажаним чином модифікуються ті чи інші речовини). Особливість ферментації в тому, що вона може відбуватися і без участі мікроорганізмів, а виключно за рахунок власних ферментів у тканинах, що піддаються такій обробці. Наприклад, більшість сортів чаю ферментуються за рахунок власних ферментів оксидаз, завдяки чому листя набуває потрібного кольору та смаку. Аналогічний процес відбувається і при потемнінні яблук на зрізі: поліфенолоксидази в присутності кисню повітря окиснюють поліфеноли яблука з утворенням хінонів, які, у свою чергу, окиснюють амінокислоти з утворенням меланіну – пігменту коричневого кольору.

Також не слід плутати як процес ферментації як отримання продуктів харчування з процесом промислового культивування мікроорганізмів у біореакторах з метою отримання різноманітних цінних продуктів від біопалива до замінників тваринного білка та антитіл. Хоча біореактори й називаються ферментерами, а організми, що вирощуються в них, здійснюють процес бродіння, цільовий продукт, як правило, продуктом бродіння не є. Крім того, існує технологія застосування ферментів, виділених із мікроорганізмів, для розщеплення складних молекул, наприклад, крохмалю. Завдяки цьому із крохмалю можна отримати глюкозно-фруктозний сироп або інші цукри, при цьому мікроорганізми безпосередньо не використовуються, потрібні лише їхні очищені ферменти. Бродіння при цьому не відбувається, фермент тільки «розрізає» велику молекулу на маленькі складові. Цей метод називається ферментативним гідролізом. Тому у всіх книжках та статтях із харчової біохімії на початку завжди наводиться визначення, що саме вони називатимуть ферментацією.

Від Межиріччя до кімчі

Ферментування – унікальний біотехнологічний процес, що дозволяє не тільки зберігати їжу та напої протягом довгого часу, а й значно підвищувати харчову цінність продуктів та створювати принципово нові. Винайдення цього способу приготування продуктів харчування губиться в далекому минулому. Давні мисливці-збирачі були змушені переживати тривалі періоди без свіжих плодів та м’яса, тому вживання в їжу підгнилих харчів було не рідкістю, що з часом переросло в технології тривалого зберігання їжі. Археологічні знахідки доводять, що мистецтво ферментації походить з Індійського субконтиненту, із поселень, що передували Хараппській цивілізації в долині річки Інд. На території Родючого Півмісяця ферментація виникла приблизно одночасно зі скотарством. Артефакти біля Невшательського озера свідчать про те, що виробництво сиру на території Швейцарії існувало ще за 6000 років до нашої ери, а Гомер навіть описував циклопа Поліфема як сировара. Приготування хліба зустрічається в єгипетських папірусах, датованих 2700-2500 роками до нашої ери, а вже в ІІІ столітті після Різдва Христового в Афінах було відомо 72 різновиди хліба. Наукове обґрунтування ферментування отримало лише в ХІХ столітті завдяки Луї Пастеру, який експериментально довів, що бродіння відбувається завдяки живим мікроорганізмам, і таким чином спростував панівну на той час теорію самозародження життя. З ростом міського населення зростали й обсяги промислового виробництва продуктів харчування, від використання випадкових природних штамів мікроорганізмів перейшли до стандартизованих заквасок, що дозволяють отримувати безпечну продукцію однорідної якості .

Типи ферментації: процес бродіння

Бродіння – анаеробний процес, під час якого молекули вуглеводів та їхніх похідних частково окислюються ферментами з виділенням енергії. Частково – тому що повне окиснення до води та вуглекислого газу можливе тільки за наявності кисню.

Якщо в середовищі наявні прості цукри (фруктоза, глюкоза, галактоза), дріжджі зброджують їх до спиртів, а бактерії – до органічних кислот. Якщо в середовищі є складні вуглеводи – полісахариди, їх потрібно якось розщепити, щоб зробити доступними для бродіння. Необхідні речовини для ферментації можуть синтезувати цвілеві гриби, наприклад, у процесі виготовлення соєвого соусу, гриб Aspergillus oryzae виділяє ферменти, що розщеплюють крохмаль соєвих бобів до глюкози, яка далі використовується в реакції бродіння. Як джерело ферментів у пивоварінні використовують солод, що є пророслим зерном: під час проростання крохмаль у зерні розщеплюється до простих цукрів, а також у зерні накопичується велика кількість ферментів, які забезпечують цей процес ферментації.

За типом кінцевого продукту виділяють наступні основні типи бродіння:

·       Молочнокисле гомоферментативне з утворенням із глюкози виключно молочної кислоти;

·       Молочнокисле гетероферментативне, під час якого із глюкози у рівних співвідношеннях утворюється молочна кислота та етанол, а також оцтова кислота та вуглекислий газ;

Послідовність реакцій при гомоферментативному (зліва) та гетероферментативному (справа) молочнокислому бродінні.

·       Пропіоновокисле – із глюкози утворюється пропіонова та оцтова кислота;

·       Спиртове бродіння – із глюкози утворюються етанол та вуглекислий газ. [2]

Класифікація продуктів що пройшли процес ферментації

Ферментовані продукти можна класифікувати за типом сировини та за способами біохімічного перетворення речовин. Друга класифікація видається більш логічною, адже один і той же тип бродіння може відбуватися і в рослинних, і у тваринних продуктах. Однак, класифікації все одно накладаються одна на одну, адже в одному продукті може відбуватися декілька процесів одразу, або вони можуть іти в декілька стадій, бо кожен ферментований продукт утворюється завдяки цілому суспільству мікроорганізмів, де у кожного виду є своя роль і результат його діяльності.

Перший тип – продукти, в яких унаслідок молочнокислого бродіння (ферментації) накопичуються органічні кислоти, зокрема, молочна, оцтова та пропіонова. Кислоти призводять до зниження рН та появи кислого смаку, а також змінюють текстуру продукту та можуть підвищувати його харчову цінність. Наприклад, за рахунок підвищення розчинності мінеральних елементів, через що вони краще засвоюються людським організмом. У такий спосіб ферментується більшість фруктів, овочів, злаків, молочних продуктів. Іноді так готують м’ясні та рибні продукти, але для цього потрібне додаткове джерело вуглеводів. Так в Азії традиційно готують ферментовану рибу з рисом: молочна кислота захищає рибу від псування.

Другий тип – продукти, створені завдяки спиртовому процесу ферментації. Етиловий спирт утворюється внаслідок життєдіяльності дріжджів, гетероферментативних молочнокислих бактерій та деяких цвілевих грибів. Саме спиртове бродіння використовується при приготуванні хліба, хоча головним при цьому є не спирт, а вуглекислий газ, завдяки якому тісто піднімається. Етанол при цьому вступає в реакції з іншими речовинами тіста, забезпечуючи приємний хлібний аромат. Звичайно, спиртове ферментування найбільш відоме як спосіб виготовлення алкогольних напоїв. Найпростішим способом є використання рослинних соків, багатих на прості цукри, проте цей метод погано працює в холодну пору року. Зате зерно зберігається досить довго…ймовірно, десь так шотландці свого часу й придумали віскі. Крохмаль не може вступати в реакцію бродіння, тому зерно пророщують перед тим, як готувати з нього спиртне. Проте в Азії винайшли інший спосіб зруйнувати крохмаль: варене зерно обробляють спеціальною закваскою, що містить дріжджі та цвілеві гриби, які виділяють ферменти, що відщеплюють від молекули крохмалю молекули глюкози по одній.

Cтруктура крохмалю, утвореного з молекул глюкози

Третій тип ферментації – лужна, під час якої рН зростає до 7-8 через накопичення аміаку. Цей процес відбувається під час ферментації насіння зернобобових культур, багатих на білок. При цьому рослинна сировина піддається дії ферментів, що розщеплюють білки та перетворюють пептиди й амінокислоти, тобто ця ферментація не є бродінням. Як правило, такі продукти мають специфічний запах та консистенцію. Наприклад, натто, традиційна японська страва із зброджених соєвих бобів, має сильний аміачний аромат, липка й тягуча, тому більшості іноземців вона не до смаку, і навіть у Японії не користується особливою популярністю.

Четвертий тип ферментації здійснюється цвілевими грибами. Існує тисячі видів цвілевих грибів, проте лише декілька видів придатні для приготування безпечних харчових продуктів. Вони вирізняються тим, що формують щільний їстівний міцелій, утворюють речовини з привабливим запахом та смаком і при цьому синтезують ферменти, що здатні потрібним чином модифікувати сировину. Цей тип ферментації притаманний азійській кухні. Ангкак, червоний ферментований рис, є стравою китайської кухні. Його готують шляхом ферментації вареного рису з цвілевим грибом Monascus, що синтезує пігменти червоного кольору, а також ловастатин – речовину, що пригнічує синтез холестерину і має, як вважається, корисні для здоров’я властивості.

П’ятий тип ферментації – розсільна. Її здійснюють види мікроорганізмів, що здатні виживати в солоних розчинах. Особливістю ферментації в розсолі є її нижча швидкість, а також здатність солоних розчинів підвищувати розчинність ферментів. Ця властивість використовується в приготуванні азійських рибного та соєвого соусів. Соєвий соус готується в 2 стадії: перша має назву «кочі», вона проходить у твердому стані й триває 3-5 днів. Під час кочі утворюється тверда маса соєвих бобів, вкритих міцелієм грибів, що синтезують різноманітні ферменти. Друга стадія ферментації називається «моромі» й відбувається в розсолі, де протягом кількох місяців молочнокислі бактерії та дріжджі повільно переробляють сировину з утворенням характерного смаку та запаху соєвого соусу. Розсільна ферментація в комбінації з сушінням використовується і в приготуванні м’ясних продуктів, таких як салямі. Для цього подрібнене м’ясо, жир, спеції, сіль та закваска мікроорганізмів перемішуються до однорідності, начиняються в природну або штучну оболонку і витримуються в теплому розсолі, де розвиваються молочнокислі бактерії й відбувається молочнокисле ферментування. Завдяки цьому накопичується молочна кислота, що є консервантом, і після цього продукт висушують до потрібного рівня вологості [3].

Ферментований соус із гострого перцю

Більшість традиційних ферментованих продуктів утворюються завдяки складному поєднанню процесів життєдіяльності різних мікроорганізмів. Найбільш популярними овочами для ферментації є капуста, огірки та оливки, проте насправді для цього підходять майже будь-які овочі та їх суміші, адже всі вони містять цукри, що використовуються під час бродіння.

Усі частини рослини слугують природним середовищем існування для найрізноманітніших мікроорганізмів – бактерій, дріжджів, цвілевих грибів. Оскільки поверхня рослин контактує з атмосферним повітрям, здебільшого вона заселена аеробними бактеріями та грибами, а також факультативними анаеробами. Це ті організми, що здатні жити і за наявності кисню, і за його відсутності. Молочнокислі бактерії, основні дійові особи процесу бродіння, є анаеробами, тобто організмами, що гинуть від кисню, тому на рослинах вони присутні в дуже невеликих кількостях. Молочнокисле бродіння під час того як проходить процес ферментації овочів здійснює не якийсь один вид бактерій, а цілий їх ряд, причому кожна група бактерій росте в середовищі протягом певного часу, згодом, через накопичення продуктів метаболізму, їх ріст гальмується чи припиняється зовсім, після чого починає активно розвиватися інша група. При цьому дуже важливо забезпечити анаеробні умови, без доступу атмосферного повітря, інакше замість молочнокислих бактерій почнуть розвиватися аеробні бактерії та гриби, що викликають гниття та утворення цвілі.

Для приготування соусу плоди перцю спочатку перетворюють на однорідну масу, і вже через декілька годин починається процес молочнокислого ферментування, який може тривати, у залежності від температури, від одного до декількох тижнів. Поки ємність з перцевим суслом ще містить деяку кількість кисню, серед бактерій переважають факультативні анаероби, проте вже за 1-2 дні, середовище стає безкисневим і в ньому починають переважати молочнокислі бактерії, що зброджують цукри до молочної кислоти з утворенням невеликої кількості оцтової кислоти та етилового спирту, що супроводжується інтенсивним виділенням вуглекислого газу. Деякі бактерії синтезують ферменти, що розщеплюють полісахариди клітинних стінок, такі як крохмаль, целюлоза, геміцелюлози, пектини, створюючи додатковий субстрат для бродіння. Під час цих складних процесів ферментації утворюється велика кількість побічних продуктів, серед яких - спирти та органічні кислоти, що вступають у реакцію естерифікації з утворенням летких сполук з приємним запахом – естерів. Тому запах ферментованого соусу є багатшим, ніж аромат самого перцю, адже в ньому утворюються нові запашні речовини. Крім того, в сусло вивільнюються й ті сполуки, що вже містилися в плодах, утворюючи разом унікальний букет. Окрім смакоароматичних властивостей, ці речовини ще й пригнічують ріст дріжджів.

Із накопиченням кислоти в суслі, його рН знижується приблизно до 4.5, темп ферментації сповільнюється, адже в такому середовищі можуть виживати лише кислотостійкі бактерії, які й зброджують решту цукрів, які ще залишилися. По завершенню цього процесу рН вже становить приблизно 3.4, що пригнічує ріст переважної більшості мікроорганізмів, тому таке сусло може зберігатися дуже довго, за умови повної відсутності доступу повітря [4]

Що ж відбувається під час ферментації з капсаїциноїдами? Вони не беруть участі в бродінні, проте деяка їх частина може нейтралізуватися кислотами. Розчинність капсаїциноїдів у водних розчинах, а саме такими є розчини кислот, досить невисока, тому більша їх частина залишиться незміненою. Однак, деякі види бактерій здатні використовувати капсаїциноїди як субстрат для росту, тому вони можуть суттєво знижувати гостроту сусла. Виділені навіть окремі штами таких бактерій, їх використовують для приготування повністю негострих соусів із гострої сировини. Цікаво, що такі види бактерій співіснують з рослинами перцю, але точну їх кількість неможливо передбачити та контролювати під час ферментації. Саме тому ферментований гострий соус є унікальним продуктом, смак і гострота якого залежать не тільки від власне плодів перцю, а й від цілого суспільства мікроорганізмів [5].

Користь ферментованих продуктів для здоров’я та суспільства

Ферментовані продукти мають вищу харчову цінність, ніж такі ж сирі, вони легше засвоюються, бо під час ферментації великі молекули поживних речовин розщеплюються на дрібніші, накопичуються пробіотики та вітаміни. Продукти спиртового бродіння мають підвищений вміст вітамінів групи В – рибофлавіну, біотину, тіаміну та нікотинової кислоти, тому завдяки локальним слабоалкогольним напоям населення країн, що розвиваються, частково компенсує дефіцит вітамінів, що виникає через збіднений раціон. Наприклад, у пальмовому вині, що готують у Західній Африці, високий вміст вітаміну В12, на дефіцит якого страждають при малій кількості продуктів тваринного походження в харчуванні.

Мікроорганізми синтезують ферменти, яких немає в людському організмі, такі як целюлази, що розщеплюють рослинну клітковину, перетворюючи її на прості цукри, що легко засвоюються.

Виробництво ферментованих продуктів дозволяє зменшити кількість харчових відходів, адже цей процес ферментації дозволяє використовувати рослинні залишки, такі як шкірки ананасів для фруктового оцту та арахісова макуха для темпе. Існує величезна кількість традиційних локальних ферментованих продуктів, виробництво яких є однією із складових концепції сталого розвитку.

Ферментація робить продукти більш безпечними. Вони мають довший термін зберігання, при цьому кількість вітамінів та корисних речовин у них не зменшується, на відміну від консервованих. У якості консервантів виступають органічні кислоти, етанол, діацетил та бактеріоцини – речовини, з антимікробними властивостями, синтезовані бактеріями. Завдяки ферментації можуть руйнуватися небезпечні для людини речовини в рослинах. Корені маніоку стають їстівними лише після ферментації, під час якої вони позбуваються ціаногенних глікозидів, що є джерелом ціаніду в необроблених коренях.

У ферментованих продуктах містяться бактерії, деякі види з яких здатні заселяти кишківник людини, доповнюючи нормальну мікрофлору. Пробіотики пригнічують ріст небажаних мікроорганізмів, сприяють перетравленню їжі і чинять позитивний вплив на здоров’я та самопочуття, при цьому сам рослинний ферментований продукт є джерелом пребіотиків, тобто речовин, якими живиться мікрофлора кишечника.

Вживання деяких ферментованих продуктів веде до зниження ризику серцево-судинних захворювань та рівня холестерину в крові. По-перше, тому, що часто продукти, які пройшли процес ферментації мають рослинне походження, а рослинна їжа загалом корелює зі зниженням виникнення багатьох хвороб. По-друге, деякі штами молочнокислих бактерій здатні засвоювати холестерин у кишківнику, знижуючи його всмоктування в кров [6].

Вплив рослинних ферментованих продуктів на здоров’я людини, зокрема, на її мікрофлору, зараз активно вивчається. Лише порівняно нещодавно з’явилися інструменти для дослідження мікробіому шлунково-кишкового тракту, і вже зараз можна з упевненістю стверджувати, що склад та різноманіття мікробіоти впливає ледь не на всі процеси в людському організмі – від імунітету до настрою та інтелекту. Саме тому сьогодні різноманітні типи ферментації продуктів харчування вже не є виключно способом тривалого зберігання, а радше технологією створення продуктів з підвищеною харчовою цінністю, унікальними властивостями та користю для здоров’я. Поки що немає клінічних досліджень, які б рекомендували, скільки квашеної капусти чи солоних огірків потрібно їсти на день, проте провідні нутриціологічні організації одностайно радять вживати якомога більше різноманітної рослинної їжі. Ферментовані овочеві продукти – чудовий спосіб відкрити для себе нові шляхи подразнення смакових рецепторів та потішити своїх маленьких друзів-бактерій.

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).