Príroda umožňuje človeku využívať výhody, ktoré sú v nej dostupné. Zároveň sa ľudia snažia toto bohatstvo zveľaďovať, vytvárať niečo nové a spoznávať nepoznané. Baktérie sú najmenšie stvorenia prírody, ktoré sa ľudia naučili využívať aj na vlastné účely.
Ale nielen škody spojené s patogénnymi procesmi a chorobami nesú tieto prokaryotické organizmy. Sú tiež zdrojom dôležitého priemyselného procesu, ktorý ľudia používali už od staroveku – fermentácie. V tomto článku zvážime, čo je tento proces a ako sa konkrétne uskutočňuje mliečna fermentácia látok.
História výskytu a použitia fermentácie
Prvá zmienka o tom, že proces fermentácie ľudia používali na získanie určitých produktov, sa objavila už v roku 5000 pred Kristom. Vtedy Babylončania použili túto metódu na získanie produktov ako:
- syr;
- wine;
- sušené mlieko a inémliečne výrobky.
Neskôr začali podobné jedlo dostávať v Egypte, Číne, Sudáne, Mexiku a ďalších starovekých štátoch. Začali piecť kvasnicový chlieb, kvasiť zeleninové plodiny a objavili sa prvé pokusy o zaváranie.
Proces mliečnej fermentácie ľudia využívajú už tisíce rokov. Syry, kefíry, jogurty boli vždy dôležitou súčasťou jedla. Všetci lekári a liečitelia vedeli o výhodách týchto produktov. Dôvody, prečo je tento druh transformácie možný, však zostali dlho neznáme.
To, že podmienky fermentácie vyžadujú prítomnosť mikroorganizmov, si ľudia ani nevedeli predstaviť. V polovici 17. storočia Van Helmont navrhol zaviesť pojem „fermentácia“pre tie procesy varenia, ktoré sú sprevádzané uvoľňovaním plynu. Koniec koncov, v preklade toto slovo znamená „vrenie“. Avšak až v 19. storočí, teda takmer o dvesto rokov neskôr, francúzsky mikrobiológ, chemik a fyzik Louis Pasteur objavil existenciu mikróbov, baktérií pre svet.
Odvtedy je známe, že rôzne typy fermentácie vyžadujú prítomnosť rôznych druhov okom neviditeľných mikroorganizmov. Ich štúdia umožnila časom kontrolovať fermentáciu a nasmerovať ju pre človeka správnym smerom.
Podstata fermentačných procesov
Ak hovoríme o tom, čo je proces fermentácie, potom by sme mali poukázať na jeho biochemickú povahu. Veď v jadre ide len o činnosť baktérií, ktoré pre seba získavajú energiu na celý život, pričom vyrábajú rôznevedľajšie produkty.
Vo všeobecnosti možno fermentáciu opísať jedným slovom – oxidácia. Anaeróbny rozklad látky pod vplyvom určitých baktérií, čo vedie k tvorbe množstva produktov. Aká látka je základom, ako aj to, čo bude výsledkom, určuje samotný typ procesu. Existuje niekoľko možností fermentácie, preto existuje klasifikácia týchto transformácií.
Klasifikácia
Existujú tri hlavné typy fermentácie.
- Alkohol. Spočíva v oxidácii pôvodnej molekuly sacharidov na etylalkohol, oxid uhličitý, vodu a molekulu ATP (zdroj energie). Tieto premeny sa uskutočňujú pôsobením nielen baktérií, ale aj húb rôznych rodov a druhov. Práve týmto spôsobom sa už od staroveku získavali produkty ako pivo, víno, droždie na pečenie a alkohol. Energia, ktorá sa uvoľňuje pri rozklade uhľohydrátov, sa vynakladá na zabezpečenie životne dôležitých procesov mikroorganizmu. Toto je biologická podstata procesu.
- Mliečna fermentácia je oxidácia sacharidov na kyselinu mliečnu s uvoľnením množstva vedľajších produktov. Ako sa to vykonáva a aké typy sa to deje, podrobnejšie zvážime ďalej.
- Kyselina maslová. Tento typ fermentácie je dôležitý v prirodzenom meradle. Vykonáva sa v dôsledku životne dôležitej aktivity baktérií kyseliny maslovej, ktoré žijú v anaeróbnych podmienkach na dne močiarov, riečneho bahna atď. Vďaka ich práci v prírode sa spracováva obrovské množstvo organických zložiek. Produkty sú mnohé látky, z ktorých hlavné súkyselina maslová. Tiež emitované: acetón, izopropylalkohol, oxid uhličitý, kyselina octová, kyselina mliečna, etylalkohol a ďalšie zlúčeniny.
Každý z uvedených typov je dôležitý v prírodnom aj priemyselnom meradle. Typy organizmov, ktoré vykonávajú takéto premeny, sú dnes dobre preštudované a mnohé z nich sa pestujú umelo, aby sa získali veľké výnosy produktu.
Kvasenie kyseliny mliečnej: všeobecný koncept
Tento typ fermentácie je známy už od staroveku. Už pred naším letopočtom vedeli obyvatelia starovekého Egypta a iných štátov vyrábať syr, variť pivo a víno, piecť chlieb, kvasiť zeleninu a ovocie.
Pre fermentované mliečne výrobky sa dnes používajú špeciálne štartovacie kultúry, umelo sa pestujú kmene potrebných mikroorganizmov. Proces bol zmodernizovaný a dovedený do automatizácie, realizovanej pomocou kompletného vybavenia. Existuje mnoho výrobcov, ktorí priamo vyrábajú mliečnu fermentáciu.
Podstatu celého procesu možno zhrnúť do niekoľkých odsekov.
- Hlavným produktom je sacharid – jednoduchý (fruktóza, glukóza, pentózy) alebo komplexný (sacharóza, škrob, glykogén a iné).
- Vytvárajú sa anaeróbne podmienky.
- Do produktu sa pridávajú kmene baktérií mliečneho kvasenia určitého typu.
- Zabezpečujú sa všetky potrebné vonkajšie faktory, ktoré sú optimálne pre požadovaný produkt: osvetlenie, teplota, prítomnosť určitých dodatočnýchkomponenty, tlak.
- Po dokončení fermentačného procesu sa produkt spracuje a izolujú sa všetky vedľajšie zlúčeniny.
Samozrejme, toto je len všeobecný popis toho, čo sa deje. V skutočnosti v každej fáze prebieha mnoho zložitých biochemických reakcií, pretože proces fermentácie kyseliny mliečnej je výsledkom životnej činnosti živých bytostí.
Základy procesu fermentácie kyseliny mliečnej
Z chemického hľadiska sú tieto transformácie sériou po sebe nasledujúcich etáp.
- Po prvé, dochádza k zmene pôvodného substrátu, teda k zmene uhlíkového reťazca látky (sacharidu). To vedie k vzniku medziproduktov úplne inej povahy, ktoré patria do rôznych tried. Napríklad, ak je počiatočným substrátom glukóza, potom sa preskupí na kyselinu glukónovú.
- Oxidačno-redukčné reakcie, sprevádzané uvoľňovaním plynov, tvorbou vedľajších produktov. Hlavnou jednotkou v celom procese je kyselina mliečna. Je to ona, ktorá sa vyrába a hromadí počas fermentácie. Toto však nie je jediné spojenie. Dochádza teda k tvorbe molekúl kyseliny octovej, etylalkoholu, oxidu uhličitého, vody a niekedy aj iných sprievodných látok.
- Energetická výťažnosť procesu vo forme molekúl kyseliny adenozíntrifosforečnej (ATP). Na jednu molekulu glukózy pripadajú 2 molekuly ATP, ale ak má počiatočný substrát zložitejšiu štruktúru, napríklad celulózu, potom existujú tri molekuly ATP. Túto energiu využívajú baktérie mliečneho kvasenia na ďalší život.
Je to prirodzenéak človek podrobne rozumie biochemickým transformáciám, potom by mali byť uvedené všetky intermediárne molekuly a komplexy. Ako napríklad:
- kyselina pyrohroznová;
- adenozíndifosfát;
- molekuly nikotínamíndifosfátu ako nosič vodíka a iné.
Táto problematika si však zaslúži osobitnú pozornosť a mala by sa posudzovať z hľadiska biochémie, preto sa jej v tomto článku nebudeme dotýkať. Pozrime sa bližšie na to, aká je technológia výroby produktov kyseliny mliečnej a aké druhy fermentácie existujú.
Homofermentatívna fermentácia
Homofermentatívna mliečna fermentácia zahŕňa použitie špeciálnych foriem patogénov a líši sa od heterofermentačnej vo výsledných produktoch a ich množstve. Vyskytuje sa pozdĺž glykolytickej dráhy vo vnútri bunky mikroorganizmu. Základom je, ako vo všeobecnosti pri každej fermentácii, premena sacharidov na kyselinu mliečnu. Hlavnou výhodou tohto procesu je, že výťažok požadovaného produktu je 90 %. A iba zvyšok ide na vedľajšie zlúčeniny.
Kvasenie baktérií tohto typu nasledujúcich druhov:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus a ďalšie.
Aké ďalšie látky vznikajú v dôsledku homofermentatívnej fermentácie? Sú to spojenia ako:
- etylalkohol;
- prchavé kyseliny;
- oxid uhličitý;
- kyselina fumarová a jantárová.
Tento spôsob získavania fermentovaných mliečnych výrobkov sa však v priemysle prakticky nepoužíva. V prírode sa uchováva ako počiatočné štádium glykolýzy, vyskytuje sa aj vo svalových bunkách cicavcov pri rozsiahlej fyzickej námahe.
Technológia na výrobu potrebných produktov pre ľudskú výživu zahŕňa použitie takých počiatočných sacharidov, ako sú:
- glukóza;
- sacharóza;
- fruktóza;
- manóza;
- škrob a niektoré ďalšie.
A homofermentatívne baktérie nie sú schopné oxidovať mnohé z týchto zlúčenín, takže ich použitie ako štartovacích kultúr pri výrobe nie je možné.
Heterofermentatívna mliečna fermentácia
Tento spôsob je práve ten priemyselne využiteľný, vďaka ktorému sa realizuje výroba všetkých fermentovaných mliečnych výrobkov, konzervuje sa zelenina a zbiera silážne krmivo pre hospodárske zvieratá.
Hlavným rozdielom od vyššie opísaného je, že patogény vykonávajú mliečnu fermentáciu s tvorbou väčšieho počtu vedľajších produktov. Len 50% cukru je spracovaných baktériami na kyselinu mliečnu, zvyšok ide na tvorbu molekúl ako:
- kyselina octová;
- glycerín;
- oxid uhličitý;
- etylalkohol a iné.
Ako je to lepšie a výnosnejšie ako tvorba 90% čistej kyseliny mliečnej homofermentatívnou metódou? Ide o to, že keď sa vyrába hlavný produktpríliš veľa, potom je životná aktivita mnohých baktérií úplne inhibovaná. Okrem toho produkty strácajú mnohé chuťové vlastnosti, ktoré získavajú vďaka vedľajším zlúčeninám. Takže napríklad príjemnú vôňu konzervovanej zeleniny dodáva kyselina octová a izoamylalkohol. Ak tieto zlúčeniny nie sú prítomné, výsledok konzervácie bude úplne iný.
Výťažok kyseliny mliečnej 50% je úplne dostatočný na potlačenie vývoja a životnej aktivity všetkých cudzích húb a mikroorganizmov v systéme. Pretože aj 1-2% spôsobuje príliš silné okyslenie prostredia, v ktorom nemôžu existovať žiadne iné organizmy, okrem baktérií mliečneho kvasenia. Celý proces prebieha pozdĺž pentózofosfátovej dráhy.
Podmienky fermentácie pre heterofermentatívnu metódu by mali byť nasledovné:
- dobrý a čerstvý štartér pridaný v počiatočnej fáze;
- optimálne vonkajšie podmienky, ktoré sa vyberajú pre každý produkt individuálne;
- kvalitné a dobre fungujúce vybavenie;
- všetky technické zariadenia potrebné pre tento proces.
Z vonkajších podmienok má procesná teplota mimoriadny význam. Nemalo by byť príliš vysoké, ale chlad celý priebeh fermentácie drasticky spomalí.
Dnes existuje špecializovaná fermentačná nádrž, ktorá automaticky vytvára všetky potrebné podmienky pre správne a pohodlné fungovanie mikroorganizmov.
Vyžaduje sa vybavenie
Ako sme uviedli vyššie, patrí medzi najdôležitejšie atribútytreba poznamenať kapacitu na fermentáciu. Ak hovoríme o domácom postupe, mali by ste venovať pozornosť čistote riadu používaného pri konzervácii, výrobe jogurtu a iných produktov. Jedným zo spôsobov, ako znížiť počet cudzích populácií mikroorganizmov, je sterilizovať nádoby pred ich použitím.
Ktoré jedlá sú vhodné na heterofermentatívnu fermentáciu? Môže to byť sklenená alebo vysokokvalitná plastová (polypropylén, polyetylén) nádoba, ktorá sa dá tesne uzavrieť vekom.
Priemysel používa špeciálne zariadenia na dezinfekciu a čistenie nádob pred začiatkom fermentačného procesu.
Baktérie použité v procese
Ak hovoríme o bakteriálnych kultúrach, ktoré sa používajú na výrobu konzervovaných a fermentovaných mliečnych výrobkov, potom môžeme identifikovať niekoľko najbežnejších typov organizmov.
- Acidofilná bulharská palica.
- Lactobacillus druh Sporolactobacillus inulinus.
- Bifidobaktérie.
- Leukostocks.
- Koky kyseliny mliečnej.
- Lactobacillus species L. Casei.
- Baktérie rodu Streptococcus a iné.
Na základe kombinácie a čistých kultúr uvedených organizmov sa vyrábajú štartovacie kultúry pre fermentované mliečne výrobky. Sú vo verejnej sfére, môže si ich kúpiť ktokoľvek. Najdôležitejšie je dodržať podmienky fermentačného procesu, aby ste z toho mali úžitokprodukt.
Aké produkty sa získavajú z tejto fermentácie?
Ak hovoríme o tom, aké fermentačné produkty je možné získať pomocou laktobacilov, potom môžeme vymenovať niekoľko hlavných kategórií.
- Kvasené mliečne výrobky (kvasené pečené mlieko, jogurty, varenetky, kefír, tvaroh, kyslá smotana, maslo, acidofilné produkty a iné).
- Krmivo silotypu pre hospodárske zvieratá.
- Kyselina mliečna, ktorá sa používa pri výrobe nealkoholických nápojov, úprave kožušín a pod.
- Pečenie, výroba syra.
- Konzervované ovocie a zelenina.
Toto všetko dokazuje dôležitosť určitých druhov baktérií v živote ľudí, ich priemyselných aktivitách.
