Природата позволява на човек да се наслади на предимствата, които са налични в нея. В същото време хората се опитват да увеличат тези богатства, да създадат нещо ново и да научат за непознатото. Бактериите са най-малките създания на природата, които хората също са се научили да използват за собствените си цели.
Но не само вредата, свързана с патогенни процеси и заболявания, се носи от тези прокариотни организми. Те са и източник на важен индустриален процес, използван от хората от древни времена – ферментацията. В тази статия ще разгледаме какво представлява този процес и как конкретно се извършва млечнокиселата ферментация на веществата.
История на възникване и използване на ферментацията
Първото споменаване, че процесът на ферментация е бил използван от хората за получаване на определени продукти, се появява още през 5000 г. пр.н.е. Тогава вавилонците използват този метод за получаване на продукти като:
- сирене;
- вино;
- подсирено мляко и другимлечни продукти.
По-късно подобна храна започва да се получава в Египет, Китай, Судан, Мексико и други древни държави. Те започнаха да пекат хляб с мая, да ферментират зеленчукови култури и се появиха първите опити за консервиране.
Процесът на млечнокисела ферментация се използва от хората от хиляди години. Сирената, айряните, киселите млека са били важна част от ястието по всяко време. Всички лекари и лечители знаеха за ползите от тези продукти. Причините, поради които този вид трансформация е възможна, остават неизвестни дълго време.
Фактът, че условията на ферментация изискват наличието на микроорганизми, хората дори не могат да си представят. В средата на 17-ти век Ван Хелмонт предлага да се въведе терминът "ферментация" за онези процеси на готвене, които са придружени от отделяне на газ. В края на краищата, в превод тази дума означава "кипене". Но едва през 19 век, тоест почти двеста години по-късно, френският микробиолог, химик и физик Луи Пастьор открива съществуването на микроби, бактерии в света.
Оттогава стана известно, че различните видове ферментация изискват наличието на различни видове микроорганизми, невидими за окото. Тяхното изследване направи възможно с течение на времето да се контролира ферментацията и да се насочи в правилната посока за човек.
Същността на процесите на ферментация
Ако говорим какво представлява процесът на ферментация, тогава трябва да посочим неговата биохимична природа. В крайна сметка, в основата си това е просто дейността на бактериите, които извличат енергия за себе си за цял живот, като същевременно произвеждат различнистранични продукти.
Общо взето, ферментацията може да се опише с една дума - окисление. Анаеробно разлагане на вещество под въздействието на определени бактерии, което води до образуването на редица продукти. Какво вещество е основата, както и какъв ще бъде резултатът, се определя от вида на самия процес. Има няколко опции за ферментация, така че има класификация за тези трансформации.
Класификация
Има три основни типа ферментация.
- Алкохол. Състои се в окисляването на първоначалната въглехидратна молекула до етилов алкохол, въглероден диоксид, вода и молекула АТФ (енергиен източник). Тези трансформации се извършват под действието не само на бактерии, но и на гъби от различни родове и видове. Именно по този начин от древни времена се получават продукти като бира, вино, мая за печене, алкохол. Енергията, която се отделя при разграждането на въглехидратите, се изразходва за осигуряване на жизнените процеси на микроорганизма. Това е биологичната същност на процеса.
- Млечнокиселата ферментация е окисляването на въглехидратите до млечна киселина с освобождаване на редица странични продукти. Как се извършва и какви видове се случва, ще разгледаме по-подробно по-нататък.
- Малена киселина. Този вид ферментация е важна в естествен мащаб. Осъществява се поради жизнената активност на бактериите с маслена киселина, които живеят в анаеробни условия на дъното на блатата, речната тиня и т.н. Благодарение на тяхната работа в природата се обработва огромно количество органични компоненти. Продуктите са много вещества, основното сред коитомаслена киселина. Излъчени също: ацетон, изопропилов алкохол, въглероден диоксид, оцетна киселина, млечна киселина, етилов алкохол и други съединения.
Всеки от посочените видове е важен както в естествен, така и в промишлен мащаб. Видовете организми, които извършват такива трансформации, са добре проучени днес и много от тях се култивират изкуствено, за да се получи голям добив от продукта.
Млечнокисела ферментация: обща концепция
Този вид ферментация е познат от древността. Още преди нашата ера, жителите на Древен Египет и други държави знаеха как да правят сирене, да варят бира и вино, да пекат хляб, да ферментират зеленчуци и плодове.
Днес се използват специални стартерни култури за ферментирали млечни продукти, изкуствено се отглеждат щамове на необходимите микроорганизми. Процесът е модернизиран и доведен до автоматизация, осъществен с помощта на пълно оборудване. Има много производители, които директно произвеждат млечнокисела ферментация.
Същността на целия процес може да бъде обобщена в няколко параграфа.
- За основен продукт се приема въглехидрат - прост (фруктоза, глюкоза, пентози) или сложен (захароза, нишесте, гликоген и други).
- Създават се анаеробни условия.
- Щамове млечнокисели бактерии от определен тип се добавят към продукта.
- Предоставени са всички необходими външни фактори, които са оптимални за желания продукт: осветеност, температура, наличие на определени допълнителникомпоненти, налягане.
- След приключване на процеса на ферментация, продуктът се обработва и всички странични съединения се изолират.
Разбира се, това е само общо описание на случващото се. Всъщност на всеки етап има много сложни биохимични реакции, тъй като процесът на млечнокисела ферментация е резултат от жизнената дейност на живите същества.
Основи на процеса на ферментация на млечна киселина
От химическа гледна точка тези трансформации са поредица от последователни етапи.
- Първо, има промяна в оригиналния субстрат, тоест въглеродната верига на веществото (въглехидрата) се променя. Това води до появата на междинни съединения от съвсем различно естество, принадлежащи към различни класове. Например, ако първоначалният субстрат е глюкоза, тогава той се пренарежда в глюконова киселина.
- Окислително-редукционни реакции, придружени от отделяне на газове, образуване на странични продукти. Основната единица в целия процес е млечната киселина. Именно тя се произвежда и натрупва по време на ферментацията. Това обаче не е единствената връзка. И така, има образуване на молекули оцетна киселина, етилов алкохол, въглероден диоксид, вода, а понякога и други придружаващи.
- Енергиен добив от процеса под формата на молекули аденозин трифосфорна киселина (АТФ). Има 2 молекули АТФ на молекула глюкоза, но ако първоначалният субстрат е с по-сложна структура, например целулоза, тогава има три молекули АТФ. Тази енергия се използва от млечнокиселите бактерии за по-нататъшен живот.
Естествено еако човек разбира подробно биохимичните трансформации, тогава трябва да се посочат всички междинни молекули и комплекси. Като например:
- пировиноградна киселина;
- аденозин дифосфат;
- молекули на никотинамин дифосфат като носител на водород и други.
Въпреки това, този въпрос заслужава специално внимание и трябва да се разглежда от гледна точка на биохимията, така че няма да го засягаме в тази статия. Нека разгледаме по-подробно каква е технологията за производство на млечнокисели продукти и какви видове ферментация съществуват.
Хомоферментативна ферментация
Хомоферментативната млечнокисела ферментация включва използването на специални форми на патогени и се различава от хетероферментативната по получените продукти и тяхното количество. Възниква по гликолитичния път вътре в клетката на микроорганизма. Изводът е, както обикновено при всяка ферментация, превръщането на въглехидратите в млечна киселина. Основното предимство на този процес е, че добивът на желания продукт е 90%. И само останалото отива към страничните съединения.
Бактериална ферментация от този тип от следните видове:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus и др.
Какви други вещества се образуват в резултат на хомоферментативна ферментация? Това са връзки като:
- етилов алкохол;
- летливи киселини;
- въглероден диоксид;
- фумарова и янтарна киселина.
Въпреки това, този метод за получаване на ферментирали млечни продукти практически не се използва в индустрията. Запазен е в природата като начален етап на гликолиза, среща се и в мускулните клетки на бозайници по време на голямо физическо натоварване.
Технологията за производство на необходимите продукти за човешкото хранене включва използването на такива начални въглехидрати като:
- глюкоза;
- захароза;
- фруктоза;
- маноза;
- нишесте и някои други.
И хомоферментативните бактерии не са в състояние да окислят много от тези съединения, така че използването им като стартерни култури в производството не е възможно.
Хетероферментативна млечнокисела ферментация
Този метод е именно индустриално приложимият, благодарение на който се извършва производството на всички ферментирали млечни продукти, запазват се зеленчуците и се прибира силажна храна за добитък.
Основната разлика от описаната по-рано е, че патогените извършват млечнокисела ферментация с образуването на по-голям брой странични продукти. Само 50% от захарта се преработва от бактерии в млечна киселина, останалата част отива за образуването на молекули като:
- оцетна киселина;
- глицерин;
- въглероден диоксид;
- етилов алкохол и други.
Как е по-добре и по-изгодно от образуването на 90% чиста млечна киселина по хомоферментативния метод? Работата е там, че когато се произвежда основният продукттвърде много, тогава жизнената активност на много бактерии е напълно инхибирана. Освен това продуктите губят много от вкусовите качества, които придобиват поради страничните съединения. Така например, приятният аромат на консервирани зеленчуци се осигурява от оцетна киселина и изоамилов алкохол. Ако тези съединения не присъстват, тогава резултатът от консервацията ще бъде напълно различен.
Добив на млечна киселина от 50% е напълно достатъчен за потискане на развитието и жизнената активност на всички външни гъби и микроорганизми в системата. Защото дори 1-2% предизвикват твърде силно подкиселяване на средата, в която не могат да съществуват други организми, освен млечнокиселите бактерии. Целият процес се извършва по пътя на пентозофосфата.
Условията на ферментация за хетероферментативния метод трябва да бъдат както следва:
- добро и прясно предястие, добавено в началния етап;
- оптимални външни условия, които се избират за всеки продукт поотделно;
- висококачествено и добре работещо оборудване;
- всички технически устройства, необходими за процеса.
Сред външните условия температурата на процеса е от особено значение. Не трябва да е твърде висока, но студът ще забави драстично целия ход на ферментация.
Днес има специализиран ферментационен резервоар, който автоматично създава всички необходими условия за правилното и комфортно функциониране на микроорганизмите.
Изисква се оборудване
Както отбелязахме по-горе, сред най-важните атрибутитрябва да се отбележи способността за ферментация. Ако говорим за домашната процедура, тогава трябва да обърнете внимание на чистотата на съдовете, използвани по време на консервирането, производството на кисело мляко и други продукти. Един от начините за намаляване на броя на външните популации от микроорганизми е да стерилизирате контейнерите, преди да ги използвате.
Кои ястия са подходящи за хетероферментативна ферментация? Може да бъде стъклен или висококачествен пластмасов (полипропилен, полиетилен) контейнер, който може да се затваря плътно с капак.
Индустрията използва специални устройства за дезинфекция и почистване на контейнери преди началото на процеса на ферментация.
Бактерии, използвани в процеса
Ако говорим за бактериални култури, които се използват за създаване на консервирани и ферментирали млечни продукти, тогава можем да идентифицираме няколко от най-често срещаните видове организми.
- Ацидофилна българска пръчка.
- Lactobacillus видове Sporolactobacillus inulinus.
- Бифидобактерии.
- Leukostocks.
- млечнокисели коки.
- Lactobacillus видове L. Casei.
- Бактерии от рода Streptococcus и други.
Въз основа на комбинацията и чистите култури на посочените организми се произвеждат закваски за ферментирали млечни продукти. Те са публично достояние, всеки може да ги купи. Най-важното е да се спазват условията на процеса на ферментация, за да се възползвате от полученотопродукт.
Какви продукти се получават от тази ферментация?
Ако говорим за това какви ферментационни продукти могат да бъдат получени с помощта на лактобацили, тогава можем да назовем няколко основни категории.
- Ферментирали млечни продукти (кисело мляко, кисело мляко, варенец, кефир, извара, заквасена сметана, масло, ацидофилни продукти и други).
- Храна тип силоз за селскостопански животни.
- Млечна киселина, която се използва в производството на безалкохолни напитки, обличане на кожи и др.
- Печене, производство на сирене.
- Консервирани плодове и зеленчуци.
Всичко това доказва значението на определени видове бактерии в живота на хората, техните промишлени дейности.
