Narava človeku omogoča, da uživa v ugodnostih, ki so na voljo v njej. Hkrati ljudje poskušajo ta bogastva povečati, ustvariti nekaj novega in spoznati neznano. Bakterije so najmanjša bitja narave, ki so se jih ljudje naučili uporabljati tudi za svoje namene.
Vendar ti prokariontski organizmi ne nosijo le škode, povezane s patogenimi procesi in boleznimi. So tudi vir pomembnega industrijskega procesa, ki ga ljudje uporabljajo že od antičnih časov – fermentacije. V tem članku bomo razmislili, kaj je ta postopek in kako se izvaja mlečnokislinska fermentacija snovi.
Zgodovina pojavljanja in uporabe fermentacije
Prva omemba, da so ljudje postopek fermentacije uporabljali za pridobivanje določenih izdelkov, se je pojavila že leta 5000 pr. Takrat so Babilonci uporabili to metodo za pridobivanje izdelkov, kot so:
- sir;
- vino;
- kislo mleko in drugomlečni izdelki.
Pozneje so podobno hrano začeli prejemati v Egiptu, na Kitajskem, v Sudanu, Mehiki in drugih starodavnih državah. Začeli so peči kruh iz kvasa, fermentirati zelenjavne pridelke in pojavili so se prvi poskusi konzerviranja.
Postopek mlečnokislinske fermentacije ljudje uporabljajo že tisoče let. Siri, kefirji, jogurti so bili ves čas pomemben del obroka. Vsi zdravniki in zdravilci so vedeli o prednostih teh izdelkov. Vendar pa so razlogi, zakaj je tovrstna preobrazba mogoča, dolgo časa ostali neznani.
Dejstva, da pogoji fermentacije zahtevajo prisotnost mikroorganizmov, si ljudje niti predstavljati niso mogli. Sredi 17. stoletja je Van Helmont predlagal uvedbo izraza "fermentacija" za tiste procese kuhanja, ki jih spremlja sproščanje plina. Konec koncev v prevodu ta beseda pomeni "vretje". Vendar je francoski mikrobiolog, kemik in fizik Louis Pasteur šele v 19. stoletju, torej skoraj dvesto let pozneje, odkril obstoj mikrobov, bakterij na svetu.
Od takrat je postalo znano, da različne vrste fermentacije zahtevajo prisotnost različnih vrst mikroorganizmov, nevidnih očesu. Njihova študija je sčasoma omogočila nadzor nad fermentacijo in jo usmeriti v pravo smer za človeka.
Bistvo procesov fermentacije
Če govorimo o tem, kaj je proces fermentacije, moramo opozoriti na njegovo biokemično naravo. Konec koncev je to v svojem bistvu le dejavnost bakterij, ki si pridobivajo energijo za življenje, hkrati pa proizvajajo različnestranski proizvodi.
Na splošno lahko fermentacijo opišemo z eno besedo – oksidacija. Anaerobna razgradnja snovi pod vplivom določenih bakterij, kar vodi v nastanek številnih produktov. Kakšna snov je osnova, pa tudi kakšen bo rezultat, je odvisno od vrste samega procesa. Obstaja več možnosti fermentacije, zato obstaja klasifikacija za te transformacije.
Razvrstitev
Obstajajo tri glavne vrste fermentacije.
- Alkohol. Sestoji iz oksidacije prvotne molekule ogljikovih hidratov v etilni alkohol, ogljikov dioksid, vodo in molekulo ATP (vir energije). Te preobrazbe se izvajajo pod delovanjem ne le bakterij, ampak tudi gliv različnih rodov in vrst. Na ta način so že od antičnih časov pridobivali izdelke, kot so pivo, vino, pekovski kvas in alkohol. Energija, ki se sprosti med razgradnjo ogljikovih hidratov, se porabi za zagotavljanje vitalnih procesov mikroorganizma. To je biološko bistvo procesa.
- Mlečnokislinska fermentacija je oksidacija ogljikovih hidratov v mlečno kislino s sproščanjem številnih stranskih produktov. Kako se izvaja in kakšne vrste se zgodi, bomo podrobneje razmislili.
- maslena kislina. Ta vrsta fermentacije je pomembna v naravnem obsegu. Izvaja se zaradi vitalne aktivnosti bakterij maslene kisline, ki živijo v anaerobnih razmerah na dnu močvirja, rečnega mulja itd. Zahvaljujoč njihovemu delu v naravi se predela ogromna količina organskih sestavin. Izdelki so številne snovi, med katerimi je glavnamaslene kisline. Izpuščajo se tudi: aceton, izopropil alkohol, ogljikov dioksid, ocetna kislina, mlečna kislina, etilni alkohol in druge spojine.
Vsaka od označenih vrst je pomembna tako v naravnem kot v industrijskem obsegu. Vrste organizmov, ki izvajajo takšne transformacije, so danes dobro raziskane in mnoge od njih se gojijo umetno, da bi dobili velik pridelek proizvoda.
mlečnokislinska fermentacija: splošen koncept
Ta vrsta fermentacije je poznana že od antike. Že pred našo dobo so prebivalci starega Egipta in drugih držav znali izdelovati sir, variti pivo in vino, peči kruh, fermentirati zelenjavo in sadje.
Danes se za fermentirane mlečne izdelke uporabljajo posebne starter kulture, sevi potrebnih mikroorganizmov se umetno gojijo. Proces je posodobljen in avtomatiziran, izveden s pomočjo celotne opreme. Obstaja veliko proizvajalcev, ki neposredno proizvajajo mlečnokislinsko fermentacijo.
Bistvo celotnega postopka je mogoče povzeti v več odstavkih.
- Za glavni produkt se vzame ogljikov hidrat - preprost (fruktoza, glukoza, pentoze) ali kompleksen (saharoza, škrob, glikogen in drugi).
- Ustvarjene so anaerobne razmere.
- Izdelku so dodani sevi mlečnokislinskih bakterij določene vrste.
- Zagotovljeni so vsi potrebni zunanji dejavniki, ki so optimalni za želeni izdelek: osvetlitev, temperatura, prisotnost določenih dodatnihkomponente, tlak.
- Po končanem procesu fermentacije se izdelek obdela in vse stranske spojine izolirajo.
Seveda je to le splošen opis dogajanja. Pravzaprav je na vsaki stopnji veliko zapletenih biokemičnih reakcij, saj je proces mlečnokislinske fermentacije rezultat vitalne aktivnosti živih bitij.
Osnove procesa mlečnokislinske fermentacije
S kemičnega vidika so te transformacije niz zaporednih stopenj.
- Najprej pride do spremembe prvotnega substrata, to je, da se spremeni ogljikova veriga snovi (ogljikovih hidratov). To vodi do pojava vmesnih spojin popolnoma drugačne narave, ki spadajo v različne razrede. Na primer, če je začetni substrat glukoza, se prerazporedi v glukonsko kislino.
- Oksidacijsko-redukcijske reakcije, ki jih spremlja sproščanje plinov, nastajanje stranskih produktov. Glavna enota v celotnem procesu je mlečna kislina. Ona je tista, ki se proizvaja in kopiči med fermentacijo. Vendar to ni edina povezava. Torej pride do tvorbe molekul ocetne kisline, etilnega alkohola, ogljikovega dioksida, vode in včasih drugih spremljajočih.
- Energijski donos procesa v obliki molekul adenozin trifosforne kisline (ATP). Na molekulo glukoze sta 2 molekuli ATP, če pa je začetni substrat kompleksnejše strukture, na primer celuloza, potem obstajajo tri molekule ATP. To energijo uporabljajo mlečnokislinske bakterije za nadaljnje življenje.
To je naravnoče podrobno razumemo biokemične transformacije, je treba navesti vse vmesne molekule in komplekse. Na primer:
- pirovična kislina;
- adenozin difosfat;
- molekule nikotinamin difosfata kot nosilca vodika in drugi.
Vendar si to vprašanje zasluži posebno pozornost in ga je treba obravnavati z vidika biokemije, zato se ga v tem članku ne bomo dotaknili. Oglejmo si podrobneje, kakšna je tehnologija za proizvodnjo mlečnokislinskih izdelkov in katere vrste fermentacije obstajajo.
Homofermentativna fermentacija
Homofermentativna mlečnokislinska fermentacija vključuje uporabo posebnih oblik patogenov in se od heterofermentativne razlikuje po nastalih produktih in njihovi količini. Pojavlja se vzdolž glikolitične poti znotraj celice mikroorganizma. Bistvo je, kot na splošno pri vsaki fermentaciji, pretvorba ogljikovih hidratov v mlečno kislino. Glavna prednost tega postopka je, da je izkoristek želenega produkta 90 %. In samo ostalo gre v stranske spojine.
Bakterijske fermentacije te vrste naslednjih vrst:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus in drugi.
Katere druge snovi nastanejo kot posledica homofermentativne fermentacije? To so povezave, kot so:
- etilni alkohol;
- hlapne kisline;
- ogljikov dioksid;
- fumarna in jantarna kislina.
Vendar se ta način pridobivanja fermentiranih mlečnih izdelkov v industriji praktično ne uporablja. V naravi je ohranjen kot začetna stopnja glikolize, pojavlja se tudi v mišičnih celicah sesalcev pri obsežnih fizičnih naporih.
Tehnologija za proizvodnjo potrebnih izdelkov za prehrano ljudi vključuje uporabo takšnih začetnih ogljikovih hidratov, kot so:
- glukoza;
- saharoza;
- fruktoza;
- manoza;
- škrob in nekaj drugih.
In homofermentativne bakterije ne morejo oksidirati mnogih od teh spojin, zato njihova uporaba kot starter kulture v proizvodnji ni mogoča.
heterofermentativna mlečnokislinska fermentacija
Ta metoda je ravno industrijsko uporabna, zahvaljujoč kateri poteka proizvodnja vseh fermentiranih mlečnih izdelkov, konzervirana zelenjava in pobiranje silažne krme za živino.
Glavna razlika od prej opisanega je, da patogeni izvajajo mlečnokislinsko fermentacijo s tvorbo večjega števila stranskih produktov. Le 50 % sladkorja bakterije predelajo v mlečno kislino, ostalo gre za tvorbo molekul, kot so:
- ocetna kislina;
- glicerin;
- ogljikov dioksid;
- etilni alkohol in drugi.
Kako je bolje in bolj donosno kot tvorba 90% čiste mlečne kisline s homofermentativno metodo? Stvar je v tem, da je glavni izdelek proizvedenpreveč, potem je vitalna aktivnost številnih bakterij popolnoma zavirana. Poleg tega izdelki izgubijo veliko okusnih lastnosti, ki jih pridobijo zaradi stranskih spojin. Tako na primer prijetno aromo konzervirane zelenjave zagotavljata ocetna kislina in izoamil alkohol. Če teh spojin ni, bo rezultat konzerviranja popolnoma drugačen.
Donos mlečne kisline 50% zadostuje za zatiranje razvoja in vitalne aktivnosti vseh tujih gliv in mikroorganizmov v sistemu. Ker že 1-2 % povzroči premočno zakisanost okolja, v katerem ne morejo obstajati nobeni drugi organizmi, razen mlečnokislinskih bakterij. Celoten proces poteka po pentozofosfatni poti.
Pogoji fermentacije za heterofermentativno metodo morajo biti naslednji:
- dober in svež predjed dodan v začetni fazi;
- optimalni zunanji pogoji, ki so izbrani za vsak izdelek posebej;
- kakovostna in dobro delujoča oprema;
- vse tehnične naprave, potrebne za postopek.
Med zunanjimi pogoji je temperatura procesa še posebej pomembna. Ne sme biti previsoka, vendar bo mraz drastično upočasnil celoten potek fermentacije.
Danes obstaja specializiran fermentacijski rezervoar, ki samodejno ustvari vse potrebne pogoje za pravilno in udobno delovanje mikroorganizmov.
Potrebna oprema
Kot smo že omenili, med najpomembnejšimi atributiOpozoriti je treba na sposobnost fermentacije. Če govorimo o domačem postopku, potem bodite pozorni na čistočo posode, ki se uporablja med konzerviranjem, proizvodnjo jogurta in drugih izdelkov. Eden od načinov za zmanjšanje števila tujih populacij mikroorganizmov je sterilizacija posod, preden jih uporabite.
Katere jedi so primerne za heterofermentacijsko fermentacijo? Lahko je steklena ali kakovostna plastična (polipropilen, polietilen) posoda, ki se lahko tesno zapre s pokrovom.
Industrija uporablja posebne naprave za dezinfekcijo in čiščenje posod pred začetkom procesa fermentacije.
Bakterije, uporabljene v procesu
Če govorimo o bakterijskih kulturah, ki se uporabljajo za izdelavo konzerviranih in fermentiranih mlečnih izdelkov, potem lahko identificiramo več najpogostejših vrst organizmov.
- Acidofilna bolgarska palica.
- Lactobacillus vrste Sporolactobacillus inulinus.
- bifidobakterije.
- Leukostocks.
- mlečnokislinski koki.
- Lactobacillus vrste L. Casei.
- Bakterije iz rodu Streptococcus in drugi.
Na podlagi kombinacije in čistih kultur navedenih organizmov so izdelane starter kulture za fermentirane mlečne izdelke. So v javni lasti, vsak jih lahko kupi. Najpomembneje je opazovati pogoje procesa fermentacije, da bi imeli koristi od nastalegaizdelek.
Kateri izdelki so pridobljeni s to fermentacijo?
Če govorimo o tem, katere produkte fermentacije lahko pridobimo s pomočjo laktobacilov, potem lahko navedemo več glavnih kategorij.
- fermentirani mlečni izdelki (fermentirano pečeno mleko, jogurti, vareneti, kefir, skuta, kisla smetana, maslo, acidofilni izdelki in drugi).
- Krma v silosu za domače živali.
- Mlečna kislina, ki se uporablja pri proizvodnji brezalkoholnih pijač, oblačenju krznenih kož in več.
- Peka, proizvodnja sira.
- Sadje in zelenjava v pločevinkah.
Vse to dokazuje pomen nekaterih vrst bakterij v življenju ljudi, njihovih industrijskih dejavnostih.
