Natura pozwala człowiekowi z nich korzystaćkorzyści, które w nim są. Jednocześnie ludzie starają się pomnażać te bogactwa, tworzyć coś nowego i uczyć się wciąż nieznanego. Bakterie to najmniejsze stworzenia natury, które ludzie również nauczyli się wykorzystywać do własnych celów.
Ale nie tylko szkody związane z patogenamiprocesy i choroby są przenoszone przez te organizmy prokariotyczne. Są również źródłem ważnego procesu przemysłowego, z którego korzystali ludzie od czasów starożytnych - fermentacji. W tym artykule zastanowimy się, czym jest ten proces i jak konkretnie przeprowadza się fermentację kwasu mlekowego substancji.
Historia powstania i zastosowania fermentacji
Pierwsza wzmianka o procesie fermentacjiużywane przez ludzi w celu uzyskania określonych produktów, pojawiły się już w 5000 p.n.e. To właśnie wtedy Babilończycy wykorzystali tę metodę do uzyskania produktów takich jak:
- ser;
- wino;
- jogurt i inne produkty mleczne.
Później podobne jedzenie zaczęto otrzymywać wEgipt, Chiny, Sudan, Meksyk i inne starożytne państwa. Zaczęli piec chleb drożdżowy, fermentować warzywa, pojawiły się pierwsze próby konserwowania.
Proces fermentacji kwasu mlekowego był używany przez ludzitysiąclecia. 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.
Warunki fermentacji wymagają obecnościmikroorganizmy, ludzie nie mogli sobie nawet wyobrazić. W połowie XVII wieku Van Helmont zaproponował wprowadzenie terminu „fermentacja” dla tych procesów gotowania, którym towarzyszy uwalnianie gazu. Rzeczywiście, 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 i bakterii.
Od tego czasu stało się wiadomo, że różnefermentacja wymaga obecności różnego rodzaju niewidzialnych mikroorganizmów. Ich badanie umożliwiło kontrolowanie fermentacji w czasie i skierowanie jej w kierunku, którego potrzebuje dana osoba.
Istota procesów fermentacji
Jeśli porozmawiamy o tym, co to jestprocesu fermentacji, należy zwrócić uwagę na jego biochemiczny charakter. Rzeczywiście, w istocie jest to po prostu aktywność bakterii, które dostarczają sobie energii do życia, wytwarzając różne produkty uboczne.
Ogólnie fermentację można podsumować jednym słowem -utlenianie. Beztlenowy rozkład substancji pod wpływem pewnych bakterii, co prowadzi do powstania szeregu produktów. To, która substancja jest podstawą, a także jaki będzie rezultat, zależy od rodzaju samego procesu. Istnieje kilka opcji fermentacji, więc istnieje klasyfikacja tych przemian.
Klasyfikacja
W sumie istnieją trzy główne rodzaje fermentacji.
- Alkohol... Polega na utlenianiu oryginalnej cząsteczkiwęglowodan do alkoholu etylowego, dwutlenku węgla, wody i cząsteczki ATP (źródła energii). Przemiany te odbywają się 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 przeznaczana na wspomaganie procesów życiowych drobnoustroju. To jest właśnie biologiczna esencja procesu.
- Fermentacja kwasu mlekowego polega na utlenianiu węglowodanów do kwasu mlekowego z uwolnieniem szeregu produktów ubocznych. Jak to się odbywa i jakie rodzaje się dzieje, rozważymy bardziej szczegółowo.
- 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 przyrodzie przetwarzana jest ogromna ilość składników organicznych. Produkty zawierają wiele substancji, z których główną jest kwas masłowy. Emitowane są również: aceton, alkohol izopropylowy, dwutlenek węgla, kwas octowy, kwas mlekowy, alkohol etylowy i inne związki.
Każdy ze wskazanych typów ma ważnyznaczenie zarówno skali naturalnej, jak i przemysłowej. Rodzaje organizmów, które przeprowadzają takie przemiany, są do tej pory dobrze zbadane, a wiele z nich jest hodowanych sztucznie w celu uzyskania wysokiej wydajności produktu.
Fermentacja kwasu mlekowego: ogólna koncepcja
Ten rodzaj fermentacji znany jest 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 używa się specjalnych przystawekfermentowane produkty mleczne, szczepy niezbędnych mikroorganizmów są sztucznie hodowane. Proces został unowocześniony i doprowadzony do automatyzacji, realizowany przy pomocy kompletnego wyposażenia. Istnieje wiele zakładów produkcyjnych, które bezpośrednio produkują fermentację kwasu mlekowego.
Istotę całego procesu można podsumować w kilku punktach.
- W przypadku głównego produktu pobierany jest początkowy węglowodan - prosty (fruktoza, glukoza, pentoza) lub złożony (sacharoza, skrobia, glikogen i inne).
- Powstają 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 dodatkowych składników, ciśnienie.
- Po zakończeniu procesu fermentacji produkt jest przetwarzany i wyodrębniane są wszystkie związki uboczne.
Oczywiście 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 żywotnej aktywności istot żywych.
Podstawy procesu fermentacji kwasu mlekowego
Z chemicznego punktu widzenia przemiany te są serią następujących po sobie etapów.
- Po pierwsze następuje zmiana pierwotnego podłoża,to znaczy, że zmienia się łańcuch węglowy substancji (węglowodanów). Prowadzi to do pojawienia się półproduktów o zupełnie innym charakterze, należących do różnych klas. Na przykład, jeśli początkowym substratem jest glukoza, to jest ona przekształcana w kwas glukonowy.
- reakcje redoks,towarzyszy uwalnianie gazów, tworzenie produktów ubocznych. Podstawową jednostką w całym procesie jest kwas mlekowy. To ona jest produkowana i gromadzona 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 cząsteczekkwas adenozynotrifosforowy (ATP). Na jedną cząsteczkę glukozy przypadają 2 cząsteczki ATP, ale jeśli pierwotny substrat ma bardziej złożoną strukturę, na przykład celulozę, to są trzy cząsteczki ATP. Energia ta jest wykorzystywana przez bakterie kwasu mlekowego do dalszego życia.
Oczywiście, jeśli szczegółowo rozumie się przemiany biochemiczne, należy wskazać wszystkie cząsteczki pośrednie i kompleksy. Takich jak na przykład:
- kwas pirogronowy;
- difosforan adenozyny;
- cząsteczki difosforanu nikotynaminy jako nośnika wodoru i innych.
Jednak ta kwestia zasługuje na osobną.uwagę i należy rozpatrywać z punktu widzenia biochemii, więc nie będziemy tego dotykać w tym artykule. Zastanówmy się bardziej szczegółowo, jaka jest technologia wytwarzania produktów kwasu mlekowego i jakie rodzaje fermentacji istnieją.
Fermentacja homofermentacyjna
Homofermentacyjna fermentacja kwasu mlekowegoimplikuje użycie specjalnych form patogenów i różni się od heterofermentacji otrzymanymi produktami i ich ilością. Występuje na szlaku glikolitycznym wewnątrz komórki drobnoustroju. Istotą jest, jak w każdej fermentacji w ogóle, przemiana węglowodanów w kwas mlekowy. Główną zaletą tego procesu jest to, że wydajność pożądanego produktu wynosi 90%. A tylko reszta trafia do połączeń bocznych.
Bakterie fermentacyjne tego typu należą do następujących typów:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus i inne.
Jakie inne substancje powstają w wyniku fermentacji homofermentacyjnej? Są to połączenia takie jak:
- alkohol etylowy;
- lotne kwasy;
- dwutlenek węgla;
- kwas fumarowy i bursztynowy.
Jednak w przemyśle ta metoda pozyskiwaniafermentowane produkty mleczne praktycznie nie są używane. Jest zachowany w naturze jako początkowy etap glikolizy, występuje również w komórkach mięśniowych ssaków podczas intensywnego wysiłku fizycznego.
Technologia produkcji niezbędnych produktów do żywienia człowieka zakłada użycie takich początkowych węglowodanów, jak:
- glukoza;
- sacharoza;
- fruktoza;
- mannoza;
- skrobia i kilka innych.
A bakterie homoenzymatyczne nie są w stanie utlenić wielu z tych związków, więc ich wykorzystanie jako kultur starterowych w produkcji nie jest możliwe.
Heteroenzymatyczna fermentacja kwasu mlekowego
Ta metoda jest dokładnie taka, jaka jest przemysłowazastosowanie, dzięki czemu prowadzona jest produkcja wszystkich fermentowanych przetworów mlecznych, konserwuje się warzywa, przygotowuje się paszę kiszonkową dla zwierząt gospodarskich.
Główną różnicą w stosunku do opisanej wcześniej jest to, żeże fermentacja kwasu mlekowego jest prowadzona przez patogeny z powstawaniem większej liczby produktów ubocznych. Tylko 50% cukru jest przetwarzane przez bakterie na kwas mlekowy, natomiast reszta trafia do tworzenia cząsteczek takich jak:
- kwas octowy;
- gliceryna;
- dwutlenek węgla;
- alkohol etylowy i inne.
Dlaczego jest lepszy i bardziej opłacalny niż edukacja 90%czysty kwas mlekowy w metodzie homofermentacyjnej? Chodzi o to, że gdy wytwarza się zbyt dużo głównego produktu, żywotna aktywność wielu bakterii zostaje całkowicie zahamowana. Ponadto produkty tracą wiele walorów smakowych, które nabywają dzięki związkom pobocznym. Na przykład kwas octowy i alkohol izoamylowy zapewniają przyjemny aromat warzyw w puszkach. Jeśli te związki są nieobecne, wynik konserwacji będzie zupełnie inny.
50% wydajność kwasu mlekowego jest wystarczającahamować 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 heteroenzymatycznej powinny być następujące:
- dobra i świeża kultura starterowa dodana na początkowym etapie;
- optymalne warunki zewnętrzne dobierane indywidualnie dla każdego produktu;
- wysokiej jakości i sprawnie działający sprzęt;
- wszystkie urządzenia techniczne niezbędne do procesu.
Wśród warunków zewnętrznych szczególne znaczenie ma temperatura procesu. Nie powinien być zbyt wysoki, ale zimno drastycznie spowolni cały przebieg fermentacji.
Obecnie istnieje specjalistyczny zbiornik fermentacyjny, który automatycznie tworzy wszystkie niezbędne warunki do prawidłowej i komfortowej pracy mikroorganizmów.
Niezbędny sprzęt
Jak wspomnieliśmy powyżej, wśród najważniejszychNależy zwrócić uwagę na atrybuty zdolności fermentacyjnej. Jeśli mówimy o przeprowadzeniu zabiegu w domu, należy zwrócić uwagę na czystość naczyń używanych podczas konserwacji, robienia jogurtu i innych produktów. Jednym ze sposobów na zmniejszenie liczby obcych populacji mikroorganizmów jest sterylizacja pojemników przed użyciem.
Jakie naczynia nadają się do potraw heteroenzymatycznychfermentacja? Może to być pojemnik szklany lub wysokiej jakości plastik (polipropylen, polietylen), który można szczelnie zamknąć pokrywką.
W przemyśle stosuje się specjalne urządzenia do dezynfekcji i czyszczenia pojemników przed rozpoczęciem procesu fermentacji.
Bakterie wykorzystywane w procesie
Jeśli mówimy o kulturach bakterii, które są używane do tworzenia produktów mlecznych w puszkach i fermentowanych, możemy zidentyfikować kilka najczęstszych rodzajów organizmów.
- Bułgarski Bacillus acidophilus.
- Lactobacillus z gatunku Sporolactobacillus inulinus.
- Bifidobakterie.
- Leikonostok.
- Cocci kwasu mlekowego.
- Lactobacillus L. Casei.
- Bakterie z rodzaju Streptococcus i inne.
Na podstawie wskazanej kombinacji i czystych kulturorganizmy wytwarzają fermenty do sfermentowanych produktów mlecznych. Są w domenie publicznej, każdy może je kupić. Najważniejszą rzeczą jest przestrzeganie warunków procesu fermentacji, aby czerpać korzyści z powstałego produktu.
Jakie produkty uzyskuje się w wyniku takiej fermentacji?
Jeśli mówimy o tym, jakie produkty fermentacji można uzyskać za pomocą Lactobacilli, możemy wymienić kilka głównych kategorii.
- Produkty mleczne fermentowane (sfermentowane mleko pieczone, jogurty, warenety, kefir, twarożek, śmietana, masło, produkty kwasolubne i inne).
- Pasza kiszonka dla zwierząt gospodarskich.
- Kwas mlekowy, który jest używany do produkcji napojów bezalkoholowych, produkcji skór futerkowych i nie tylko.
- Piekarnia, produkcja serów.
- Konserwowanie warzyw i owoców.
Wszystko to dowodzi znaczenia niektórych rodzajów bakterii w życiu ludzi, ich działalności przemysłowej.
