Priroda omogućuje osobi da uživa u blagodatima koje su u njoj dostupne. U isto vrijeme ljudi pokušavaju povećati ta bogatstva, stvoriti nešto novo i naučiti o nepoznatom. Bakterije su najmanja stvorenja prirode, koja su ljudi također naučili koristiti za svoje potrebe.
Ali ovi prokariotski organizmi ne nose samo štetu povezanu s patogenim procesima i bolestima. Oni su također izvor važnog industrijskog procesa koji su ljudi koristili od davnina – fermentacije. U ovom članku ćemo razmotriti što je to proces i kako se konkretno provodi mliječno kisela fermentacija tvari.
Povijest nastanka i upotrebe fermentacije
Prvi spomen da su proces fermentacije koristili ljudi kako bi dobili određene proizvode pojavio se već 5000. godine prije Krista. Tada su Babilonci koristili ovu metodu za dobivanje proizvoda kao što su:
- sir;
- vino;
- sirišteno mlijeko i ostalomliječni proizvodi.
Kasnije se slična hrana počela primati u Egiptu, Kini, Sudanu, Meksiku i drugim drevnim državama. Počeli su peći kruh s kvascem, fermentirati povrće, a pojavili su se i prvi pokušaji konzerviranja.
Proces fermentacije mliječne kiseline ljudi koriste tisućama godina. Sirevi, kefiri, jogurti uvijek su bili važan dio obroka. Svi liječnici i iscjelitelji znali su za dobrobiti ovih proizvoda. Međutim, razlozi zbog kojih je ovakva transformacija moguća dugo su bili nepoznati.
Činjenicu da uvjeti fermentacije zahtijevaju prisutnost mikroorganizama ljudi nisu mogli ni zamisliti. Sredinom 17. stoljeća Van Helmont je predložio uvođenje pojma "fermentacija" za one procese kuhanja koji su popraćeni oslobađanjem plina. Uostalom, u prijevodu ova riječ znači "kuhanje". Međutim, tek u 19. stoljeću, odnosno gotovo dvjesto godina kasnije, francuski mikrobiolog, kemičar i fizičar Louis Pasteur otkrio je postojanje mikroba, bakterija u svijetu.
Otada je postalo poznato da različite vrste fermentacije zahtijevaju prisutnost različitih vrsta mikroorganizama nevidljivih oku. Njihovo istraživanje omogućilo je, s vremenom, kontrolirati fermentaciju i usmjeriti je u pravom smjeru za osobu.
Suština procesa fermentacije
Ako govorimo o tome što je proces fermentacije, treba istaknuti njegovu biokemijsku prirodu. Uostalom, u svojoj srži to je samo aktivnost bakterija koje za sebe izvlače energiju za život, a pritom proizvode raznenusproizvodi.
Općenito, fermentacija se može opisati jednom riječju - oksidacija. Anaerobna razgradnja tvari pod utjecajem određenih bakterija, što dovodi do stvaranja niza produkata. Koja je tvar osnova, kao i što će biti rezultat, određuje se samim tipom procesa. Postoji nekoliko opcija fermentacije, tako da postoji klasifikacija za ove transformacije.
Klasifikacija
Postoje tri glavne vrste fermentacije.
- Alkohol. Sastoji se od oksidacije izvorne molekule ugljikohidrata u etilni alkohol, ugljični dioksid, vodu i molekulu ATP (izvor energije). Te se transformacije provode pod djelovanjem ne samo bakterija, već i gljivica različitih rodova i vrsta. Na taj se način od davnina dobivaju proizvodi poput piva, vina, kvasca za pečenje, alkohola. Energija koja se oslobađa tijekom razgradnje ugljikohidrata troši se na osiguravanje vitalnih procesa mikroorganizma. Ovo je biološka bit procesa.
- Mliječnokiselinska fermentacija je oksidacija ugljikohidrata u mliječnu kiselinu uz oslobađanje brojnih nusproizvoda. Kako se to provodi i koje se vrste događa, detaljnije ćemo razmotriti dalje.
- Maslačna kiselina. Ova vrsta fermentacije važna je na prirodnoj razini. Provodi se zbog vitalne aktivnosti bakterija maslačne kiseline koje žive u anaerobnim uvjetima na dnu močvara, riječnog mulja i tako dalje. Zahvaljujući njihovom radu u prirodi prerađuje se ogromna količina organskih komponenti. Proizvodi su mnoge tvari, među kojima je glavnamaslačna kiselina. Također se emitiraju: aceton, izopropil alkohol, ugljični dioksid, octena kiselina, mliječna kiselina, etil alkohol i drugi spojevi.
Svaka od naznačenih vrsta je važna i u prirodnoj i industrijskoj mjeri. Vrste organizama koji provode takve transformacije danas su dobro proučeni, a mnogi od njih se umjetno uzgajaju kako bi se dobio veliki prinos proizvoda.
Mliječno-kiselinska fermentacija: opći koncept
Ova vrsta fermentacije poznata je od antike. Čak i prije naše ere, stanovnici starog Egipta i drugih država znali su praviti sir, kuhati pivo i vino, peći kruh, fermentirati povrće i voće.
Danas se za fermentirane mliječne proizvode koriste posebne starter kulture, umjetno se uzgajaju sojevi potrebnih mikroorganizama. Proces je moderniziran i doveden do automatizma, proveden uz pomoć kompletne opreme. Postoje mnogi proizvođači koji izravno proizvode fermentaciju mliječne kiseline.
Suština cijelog procesa može se sažeti u nekoliko paragrafa.
- Kao glavni proizvod uzima se ugljikohidrat - jednostavan (fruktoza, glukoza, pentoze) ili složeni (saharoza, škrob, glikogen i drugi).
- Stvoreni su anaerobni uvjeti.
- Proizvodu se dodaju sojevi bakterija mliječne kiseline određene vrste.
- Osigurani su svi potrebni vanjski čimbenici koji su optimalni za željeni proizvod: osvjetljenje, temperatura, prisutnost određenih dodatnihkomponente, tlak.
- Nakon što je proces fermentacije završen, proizvod se obrađuje i izoliraju se svi bočni spojevi.
Naravno, ovo je samo opći opis onoga što se događa. Zapravo, u svakoj fazi postoje mnoge složene biokemijske reakcije, jer je proces fermentacije mliječne kiseline rezultat vitalne aktivnosti živih bića.
Osnove procesa fermentacije mliječne kiseline
S kemijske točke gledišta, ove transformacije su niz uzastopnih faza.
- Prvo, dolazi do promjene izvornog supstrata, odnosno mijenja se ugljični lanac tvari (ugljikohidrata). To dovodi do pojave međuspojeva potpuno različite prirode, koji pripadaju različitim klasama. Na primjer, ako je početni supstrat glukoza, tada se preuređuje u glukonsku kiselinu.
- Reakcije oksidacije-redukcije, praćene oslobađanjem plinova, stvaranjem nusproizvoda. Glavna jedinica u cijelom procesu je mliječna kiselina. Ona je ta koja se proizvodi i nakuplja tijekom fermentacije. Međutim, to nije jedina veza. Dakle, dolazi do stvaranja molekula octene kiseline, etilnog alkohola, ugljičnog dioksida, vode, a ponekad i drugih popratnih.
- Energijski prinos procesa u obliku molekula adenozin trifosforne kiseline (ATP). Postoje 2 molekule ATP-a po molekuli glukoze, ali ako je početni supstrat složenije strukture, na primjer celuloza, tada postoje tri molekule ATP-a. Ovu energiju koriste bakterije mliječne kiseline za daljnji život.
To je prirodnoako se detaljno razumiju biokemijske transformacije, tada treba navesti sve međumolekule i komplekse. Kao što su:
- pirogrožđana kiselina;
- adenozin difosfat;
- molekule nikotinamin difosfata kao nosača vodika i druge.
Međutim, ovo pitanje zaslužuje posebnu pozornost i treba ga razmotriti sa stajališta biokemije, pa ga nećemo dirati u ovom članku. Pogledajmo pobliže koja je tehnologija proizvodnje proizvoda mliječne kiseline i koje vrste fermentacije postoje.
Homofermentativna fermentacija
Homofermentativna mliječnokiselinska fermentacija uključuje korištenje posebnih oblika patogena i razlikuje se od heterofermentativne po dobivenim proizvodima i njihovoj količini. Javlja se duž glikolitičkog puta unutar stanice mikroorganizma. Zaključak je, kao i općenito kod svake fermentacije, pretvorba ugljikohidrata u mliječnu kiselinu. Glavna prednost ovog postupka je da je prinos željenog proizvoda 90%. A samo ostalo ide na bočne spojeve.
Bakterijske fermentacije ove vrste sljedećih vrsta:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus i drugi.
Koje druge tvari nastaju kao rezultat homofermentativne fermentacije? To su veze poput:
- etilni alkohol;
- hlapljive kiseline;
- ugljični dioksid;
- fumarna i jantarna kiselina.
Međutim, ovaj način dobivanja fermentiranih mliječnih proizvoda praktički se ne koristi u industriji. Sačuvan je u prirodi kao početna faza glikolize, javlja se iu mišićnim stanicama sisavaca tijekom opsežnog tjelesnog napora.
Tehnologija proizvodnje potrebnih proizvoda za ljudsku prehranu uključuje korištenje takvih početnih ugljikohidrata kao što su:
- glukoza;
- saharoza;
- fruktoza;
- manoza;
- škrob i neki drugi.
A homofermentativne bakterije nisu u stanju oksidirati mnoge od ovih spojeva, pa njihova upotreba kao starter kultura u proizvodnji nije moguća.
Heterofermentativna mliječno kiselinska fermentacija
Ova metoda je upravo industrijski primjenjiva, zahvaljujući kojoj se vrši proizvodnja svih fermentiranih mliječnih proizvoda, konzervira povrće, a bere se silažna hrana za stoku.
Glavna razlika u odnosu na prethodno opisano je u tome što patogeni provode mliječno kiselu fermentaciju uz stvaranje većeg broja nusproizvoda. Samo 50% šećera bakterije prerađuju u mliječnu kiselinu, ostatak ide na stvaranje molekula kao što su:
- octena kiselina;
- glicerin;
- ugljični dioksid;
- etilni alkohol i drugi.
Kako je bolje i isplativije od stvaranja 90% čiste mliječne kiseline homofermentativnom metodom? Stvar je u tome da kada se proizvodi glavni proizvodpreviše, tada je vitalna aktivnost mnogih bakterija potpuno inhibirana. Osim toga, proizvodi gube mnoge od svojstava okusa koje stječu zbog sporednih spojeva. Tako, na primjer, ugodnu aromu konzerviranog povrća osiguravaju octena kiselina i izoamil alkohol. Ako ti spojevi nisu prisutni, onda će rezultat konzervacije biti potpuno drugačiji.
Prinos mliječne kiseline od 50% sasvim je dovoljan za suzbijanje razvoja i vitalne aktivnosti svih stranih gljivica i mikroorganizama u sustavu. Jer čak 1-2% uzrokuje prejako zakiseljavanje okoliša u kojem ne mogu postojati drugi organizmi, osim bakterija mliječne kiseline. Cijeli se proces provodi putem pentozofosfatnog puta.
Uvjeti fermentacije za heterofermentativnu metodu trebali bi biti sljedeći:
- dobar i svjež starter dodan u početnoj fazi;
- optimalni vanjski uvjeti koji se biraju za svaki proizvod pojedinačno;
- kvalitetna oprema koja dobro funkcionira;
- svi tehnički uređaji potrebni za proces.
Među vanjskim uvjetima, temperatura procesa je od posebne važnosti. Ne smije biti previsok, ali će hladnoća drastično usporiti cijeli tijek fermentacije.
Danas postoji specijalizirani spremnik za fermentaciju koji automatski stvara sve potrebne uvjete za pravilno i ugodno funkcioniranje mikroorganizama.
Potrebna oprema
Kao što smo gore spomenuli, među najvažnijim atributimatreba napomenuti sposobnost za fermentaciju. Ako govorimo o kućnom postupku, onda treba obratiti pozornost na čistoću posuđa koje se koristi tijekom konzerviranja, proizvodnje jogurta i drugih proizvoda. Jedan od načina da se smanji broj stranih populacija mikroorganizama je sterilizacija spremnika prije upotrebe.
Koja su jela pogodna za heterofermentativnu fermentaciju? To može biti staklena ili visokokvalitetna plastična (polipropilen, polietilen) posuda koja se može dobro zatvoriti poklopcem.
Industrija koristi posebne uređaje za dezinfekciju i čišćenje posuda prije početka procesa fermentacije.
Bakterije korištene u procesu
Ako govorimo o bakterijskim kulturama koje se koriste za stvaranje konzerviranih i fermentiranih mliječnih proizvoda, tada možemo identificirati nekoliko najčešćih vrsta organizama.
- Acidofilni bugarski štapić.
- Lactobacillus vrsta Sporolactobacillus inulinus.
- Bifidobakterije.
- Leukostocks.
- koki mliječne kiseline.
- Lactobacillus vrste L. Casei.
- Bakterije iz roda Streptococcus i druge.
Na temelju kombinacije i čistih kultura navedenih organizama izrađuju se starter kulture za fermentirane mliječne proizvode. U javnom su vlasništvu, svatko ih može kupiti. Najvažnije je promatrati uvjete procesa fermentacije kako biste imali koristi od dobivenogproizvod.
Koji se proizvodi dobivaju ovom fermentacijom?
Ako govorimo o tome koji se proizvodi fermentacije mogu dobiti uz pomoć laktobacila, onda možemo navesti nekoliko glavnih kategorija.
- Fermentirani mliječni proizvodi (fermentirano pečeno mlijeko, jogurti, vareneti, kefir, svježi sir, kiselo vrhnje, maslac, acidofilni proizvodi i drugi).
- Hrana u silosu za životinje na farmi.
- Mliječna kiselina, koja se koristi u proizvodnji bezalkoholnih pića, oblačenju krznenih koža i još mnogo toga.
- Pečenje, proizvodnja sira.
- Konzervirano voće i povrće.
Sve to dokazuje važnost određenih vrsta bakterija u životima ljudi, njihovim industrijskim aktivnostima.
