Консервирующий механизм квашеной капусты и яблок. Соленья огурцов и томатов. Фферментация маслин.

Введение

С незапамятных времен люди подмечали, что если оставить виноградный сок или разведенную водой кашицу из тертых зерен на некоторое время, то из них получается новый продукт, который человечество быстро научилось использовать для питания и увеселения собственного организма. Кстати, животные тоже весьма любят лакомиться перебродившими плодами и ягодами, которые находят в природе.
Еще в древние времена человечество научилось варить пиво, делать вино и дрожжевое тесто, сквашивать молоко и получать творог и кисломолочные продукты. То, что все эти процессы осуществляются с помощью микроорганизмов, людям было невдомек, но сами процессы были успешно освоены и технологии приготовления множества продуктов питания в течение тысячелетий совершенствовались.
История микробиологии, фактически начавшаяся в 17 веке трудами Антони ван Левенгука, показывает, что обнаружение собственно микроорганизмов и изучение их как отдельных живых организмов, позволило перейти к научному обоснованию технологических процессов использования брожения для обработки ряда продуктов питания с целью получения новых разновидностей пищевых продуктов и их сохранения в течение длительного времени.
В настоящее время использование брожения совершенствуется в части селекции штаммов микроорганизмов, применяемых в пищевой промышленности, создания новых типов оборудования и режимов проведения собственно бродильных процессов.
В нашей работе мы представим аспект использования гетероферментативного молочнокислого брожения для переработки продукции растениеводства в целях сохранения и использования плодов, ягод и овощей в течение длительного периода.

Брожение как биологический процесс
Брожение является процессом получения энергии, который используется только микроорганизмами (бактериями и одноклеточными грибками) в условиях недостатка кислорода (в анаэробных условиях). Луи Пастер определил этот процесс как «жизнь без кислорода». Процесс проходит в две фазы: гликолиз и разложение пировиноградной кислоты до конечного продукта брожения. Химический аспект брожения и его консервирующий механизм описан в ряде источников [1,2,3].
В процессе гликолиза (первой фазы любого процесса получения энергии в клетке) глюкоза (либо другие моносахара) разлагается до двух молекул пировиноградной кислоты. При этом выделяется 2 молекулы АТФ, которые используются клеткой в качестве источника энергии для внутриклеточных процессов.
Вторая фаза брожения – это преобразование пировиноградной кислоты в конечные продукты брожения, которые определяются особенностями метаболизма тех бактерий или одноклеточных грибков, которые ведут этот процесс. В таблице 1 представлена краткая характеристика типов брожения и его конечных продуктов.
Таблица 1. Характеристика типов брожения.
Тип брожения Основные микроорганизмы - возбудители брожения Продукты брожения Использование в экономике
Молочнокислое:


гомоферментативное
Streptococcus spp., Lactobacterium spp. Молочная кислота CH3CH(OH)COOH Молочная промышленность
гетероферментативное
Bacterium spp. Молочная кислота CH3CH(OH)COOH, уксусная кислота CH3COOH, углекислый газ CО2, водород Н2 Пищевая промышленность,
Производство кормов в сельском хозяйстве,
Химическая промышленность
комбинированное Lactobacterium spp. (бактерии)
Saccharomyces spp. (дрожжевые грибки) Молочная кислота CH3CH(OH)COOH, этиловый спирт
C2H5OH, углекислый газ CО2 Молочная промышленность
Спиртовое:


низовое Saccharomyces vini (дрожжевые грибки) этиловый спирт
C2H5OH, углекислый газ CО2 Пивоваренная и винодельческая промышленность
верховое Saccharomyces cerevisiae
(дрожжевые грибки) этиловый спирт
C2H5OH, углекислый газ CО2 Хлебопекарная и винокуренная промышленность, химическая промышленность
Маслянокислое
Clostridium spp. Масляная кислота СH3 (CH2)2СООН, уксусная кислота CH3COOH, углекислый газ CО2, водород Н2 Текстильная промышленность, химическая промышленность

Особенно широко и издавна используется в народном хозяйстве молочнокислое брожение, подразделяющееся на гомоферментативное и комбинированное, которые проходят в молоке и субстратом в брожении является молочный сахар «лактоза», а также на гетероферментативное, когда основой брожения являются растительные сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза и т.п.). Гетероферментативное молочнокислое брожение применяется для сохранения (консервирования) плодов, ягод, овощей, а также для сохранения кормов в виде силоса в сельском хозяйстве. Область применения этого вида брожения в пищевой промышленности весьма широка: квашение капусты, свеклы, моркови, засолка помидоров, перца, огурцов, кабачков, патиссонов, лука, чеснока, грибов, мочение яблок, арбузов, брусники, морошки, ферментация оливок. Это позволяет сохранить пищевые продукты в течение длительного времени (на зимний период), создать запасы продовольствия, в том числе, и в государственном масштабе, снабдить овощами и фруктами районы, где выращивание свежих овощей и фруктов невозможно, например регион Крайнего Севера, Чукотки.
Молочнокислое гетероферментативное брожение,
как процесс сохранения пищевых продуктов.
Консервирующий механизм молочнокислого брожения
Гетероферментативное молочнокислое брожение осуществляется бактериями, к которым относятся весьма разнообразные роды. Химизм процесса гетероферментативного молочнокислого брожения включает разложение сахаров, находящихся в растениях, до молочной кислоты CH3CH(OH)COOH, уксусной кислоты CH3COOH, углекислого газа CО2. Наблюдается образование небольшого количества этилового спирта C2H5OH и водорода Н2. Именно кислоты (молочная и уксусная) являются главными консервантами плодов и овощей при их квашении, засолке и мочении. Все эти процессы: квашение, засолка, мочение, ферментация – являются синонимами, описывающими один и тот же микробиологический процесс, осуществляемый бактериями при разложении сахаров до молочной кислоты. Остальные кислоты, а также спирт, углекислый газ, водород, а также небольшое количество ароматических: веществ (диацетил, эфиры и т.д.) - являются побочными продуктами, образующимися при этом виде брожения.
Метод квашения, соления, мочения менее трудоемок по сравнению с тепловым консервированием, позволяет сохранить пищевую ценность продукта при незначительных потерях калорийности и витаминного состава.
В зависимости от исходного сырья готовый продукт называют квашеным (капуста), соленым (огурцы, томаты и другие овощи), моченым (плоды, ягоды). Квашение — это способ консервирования, основанный на сбраживании сахаров в растительном сырье молочнокислыми бактериями. Консервантом в данном случае является накапливающаяся молочная кислота.
В капусте, эпифитная микрофлора которой представлена различными видами молочнокислых бактерий, консервирование происходит за счет накапливающейся при брожении молочной кислоты. Соль необходима только в начале брожения — для извлечения клеточного сока из сырья. При переработке других видов растительного сырья (огурцы, томаты, корнеплоды и др.) происходит меньшее накопление молочной кислоты, поэтому применяется более высокая концентрация соли, кроме того, используется более широкий ассортимент специй. Такой способ переработки принято называть засолом.
Принципиальной разницы между этими продуктами нет, однако при квашении накапливается больше молочной кислоты (до 1,8%), при солении добавляется больше соли (заливают овощи рассолом 5-7%-й концентрации), что соответствует содержанию соли в готовом продукте 3,5-4,5% [6,7].
Аналогичный способ переработки плодов и ягод называют мочением. Данное сырье содержит большее количество сахаров по сравнению с овощами. Для консервирования используют специальные заливки, содержащие не только соль, но и сахар. Консервирование происходит за счет совместного молочнокислого и спиртового брожения.
При квашении (солении, мочении) протекают физико-химические и биохимические процессы.
К физико-химическим процессам относят:
 осмос соли (сахара) в клетку (проникновение соли (сахара) в клетку);
 диффузию клеточного сока в рассол.
Соль повышает осмотическое давление в тканях, в результате этого подавляется жизнедеятельность посторонней микрофлоры и создаются условия для развития молочнокислых бактерий, т.е. оказывает дополнительное консервирующее действие, но не является консервантом. Осмос соли в ткани вызывает солевую денатурацию белков, что в совокупности с протопектиновым комплексом обусловливает хрустящую консистенцию продукта. Соль придает соленый вкус, а в сочетании с кислотами вкус становится кисло-соленым.
Диффузия клеточного сока в рассол создает анаэробные условия, что необходимо для развития молочнокислых бактерий. Этому способствует удаление воздуха гнетом, вакуумированием. Удаление воздуха из тканей приводит к уменьшению массы и объема, препятствует развитию гнилостной микрофлоры. Масса снижается на 5-10%, объем - на 10-20% [6,8,9].
Биохимические процессы при гетероферментативном молочнокислом брожении происходят под действием ферментов микроорганизмов. Они не оказывают отрицательного воздействия на качество, а наоборот обусловливают вкус и аромат квашеных, соленых плодов и овощей. Углекислый газ и другие газы, образующиеся при гетероферментативном брожении, не оказывают существенного влияния на качество измельченных овощей, легко удаляются путем пробивания отверстий или другим способом. А вот для огурцов, томатов и других целых плодов и овощей усиленное газообразование вызывает появление внутренних путей.
При молочнокислом брожении проявляется и деятельность дрожжей, что вызывает спиртовое брожение, особенно при мочении плодов

. При этом накапливается спирт в небольших количествах, углекислый газ, эфиры высших спиртов и другие продукты.
Однако при гетероферментативном молочнокислом брожении могут возникать и нежелательные микробиологические процессы, ухудшающие качество готового продукта:
 нетипичное молочнокислое брожение, вызываемое бактериями группы кишечной палочки Е. сoli;
 маслянокислое брожение с образованием масляной кислоты, придающей продуктам прогорклый вкус, неприятный запах;
 уксусное брожение с образованием уксусной кислоты, резко снижающее вкусовые свойства продукта;
 развитие гнилостных микроорганизмов, снижающих кислотность, вызывающих разложение белков и других азотистых соединений с выделением ядовитых и неприятно пахнущих веществ.
Одним из способов подавления деятельности вредных микроорганизмов является добавление поваренной соли. Кроме плазмолиза клеток и выделения клеточного сока, соль в концентрациях около 2% ослабляет действие масляных бактерий, приводит к прекращению дыхания. Влияние на протекание процесса брожения и качество готового продукта оказывают нижеследующие факторы:
содержание сахара в сырье, так как от этого зависит количество основного продукта молочнокислого брожения - молочной кислоты. В свежей капусте содержание сахара должно быть не менее 4,5%, в огурцах - 2,5%.
температура брожения должна быть +18... +24 °С. При этой температуре развитие молочнокислых бактерий происходит достаточно интенсивно, но заметно угнетается деятельность посторонней микрофлоры.
ограничение доступа воздуха к сбраживаемому продукту. Молочнокислые бактерии являются факультативными анаэробами, т.е. могут развиваться как в присутствии воздуха, так и без него. При брожении без воздуха накапливается только молочная кислота, тогда как при контакте с воздухом образуются нежелательные побочные продукты.
внесение закваски чистых культур молочнокислых бактерий для активизации процесса брожения.
Пищевая ценность квашеных овощей обусловливается веществами исходного сырья, оставшимися без изменения и вновь образованными. Без существенных изменений остаются лишь клетчатка, гемицеллюлоза. Водорастворимые вещества переходят в рассол, вследствие диффузии клеточного сока (сахара, минеральные, фенольные, красящие вещества, растворимый пектин). Количество сахаров снижается в результате брожения. Минеральные вещества (Na, Се, Са, Mg) увеличиваются за счет добавления соли, образуются органические кислоты [8].
Таким образом, квашеные овощи представляют интерес как источники органических кислот (молочной), минеральных веществ (Na, К, Се). Квашеные, соленые овощи витаминами небогаты, исключение составляет квашеная капуста (20-40 мг %). Калорийность этих продуктов невысокая - 14-20 ккал, однако избыточное количество соли может препятствовать применению этих продуктов в диетическом питании.
Возбудителями молочнокислого гетероферментативного брожения являются представители рода Leuconostoc и бактерии, объединенные в подрод Betabacterium рода Lactobacillus (L. fermentum, L. brevis). У них отсутствует ключевой фермент гликолитического пути — фруктозодифосфатальдолаза, и поэтому сбраживание субстратов они могут осуществлять только по окислительному пентозофосфатному пути, т. е. являются облигатно гетероферментативными формами. Кроме того, представители подрода Streptobacterium (L. casei, L. plantarum, L. xylosis) этого же рода сбраживают гексозы по гликолитическому пути, а пентозы по окислительному пентозофосфатному пути, осуществляя в первом случае гомоферментативное, а во втором — гетероферментативное молочнокислое брожение [4,5].
Начальное превращение глюкозы при гетероферментативном молочнокислом брожении идет исключительно по пентозофосфатному пути, т.е. через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат и рибулозо-5-фосфат. Рибулозо-5-фосфат под действием эпимеразы превращается в ксилулозо-5-фосфат, который в результате тиаминпирофосфат-зависимой реакции, катализируемой пентозофосфокетолазой, расщепляется с образованием глицеральдегидфосфата и ацетилфосфата. Бактерии переводят ацетилфосфат частично или целиком в уксусную кислоту, что сопровождается переносом высокоэнергетической фосфатной связи на АДФ с образованием АТФ. Избыток водорода передается в этом случае глюкозе, на которой образуется маннитол. Глицеральдегидфосфат через пируват превращается в лактат [5].
Основные уравнения гетероферментативного молочнокислого брожения [10]:
2С6Н12О6 = ЗСНзСООН + 2СНзСНОНСООН
и/или
СО2+С6Н12О6 = СНзСНОНСООН + СНзСН2ОН + СО2
В основе гетероферментативного молочнокислого брожения лежат реакции пентозофосфатного пути, а также реакции пентозофосфатного пути или пути Энтнера — Дудорова.
Нередко в сбраживаемых молочнокислыми бактериями (Streptococcus cremoris и Leuconostoc cremoris) средах накапливаются небольшие количества ацетоина и диацетила — веществ, обладающих своеобразным приятным ароматом. Этот аромат передается продуктам, в которых развиваются указанные бактерии.
Кроме глюкозы, молочнокислые бактерии сбраживают большое количество сахаров: фруктозу, галактозу, маннозу, сахарозу, лактозу, мальтозу и пентозы. При сбраживании этих соединений наблюдаются некоторые отклонения от обычных схем брожения. Например, при брожении фруктозы образуются молочная и уксусная кислоты, СО2 и маннит.
Характеристика возбудителей гетероферментативного
молочнокислого брожения
Форма клеток молочнокислых бактерий разнообразна: это и палочки (длинные и короткие), и кокки. Нередко они образуют парные или цепочковидные скопления. Это неподвижные, не образующие спор (за исключением Sporolactobacillus inulinus) грамположительные организмы. Молочнокислые бактерии — анаэробы, но при этом они аэротолерантны, то есть могут расти при доступе кислорода.
Молочнокислые бактерии обладают высокой бродильной способностью и отличаются отсутствием большинства биосинтетических путей. Это обусловливает высокую требовательность рассматриваемых бактерий к источникам питания, которая удовлетворяется за счет таких, сред обитания, как ткани растений, молоко, желудочно-кишечный тракт животных. В качестве источника энергии эти бактерии используют главным образом моно - и дисахариды (полисахариды сбраживаются только некоторыми видами). Некоторые молочнокислые бактерии способны ассимилировать отдельные органические кислоты (например, лимонную) .
Молочнокислые бактерии весьма требовательны к источникам азотного питания. Они используют органические формы азота. Многие молочнокислые бактерии могут ассимилировать белки, хотя лучше развиваются на аминокислотах, пептидах и полипептидах. Продукты распада белковой молекулы прекрасно усваиваются этими бактериями. Считалось, что молочнокислые бактерии не усваивают солей аммония. Однако сейчас описаны отдельные возбудители молочнокислого процесса, способные расти на минеральном азоте. В природе они встречаются редко[1,10].
Кроме веществ, содержащих углерод и азот, молочнокислым бактериям необходимы другие элементы (фосфор, калий, кальций и т. д.), которые они обычно получают из различных минеральных соединений. Большинство молочнокислых бактерий нуждаются в факторах роста. Отдельные бактерии, нуждаясь в одном ростовом веществе, например рибофлавине, обогащают среду, в которой они развиваются, другими ростовыми веществами, например витамином В1.
Молочнокислые бактерии могут развиваться в довольно различных температурных условиях. Большинство живет при температуре от 7—10 до 40—42°С, имея оптимум 30—40°С. Однако в природе имеются формы, которые способны размножаться в зоне более низких (минимум 3°С) или более высоких (максимум 55—57°С) температур. Молочнокислые бактерии не образуют спор, поэтому при повышении температуры выше указанного предела относительно быстро погибают.
Лучше всего молочнокислые бактерии размножаются при нейтральной реакции среды. Однако при своем развитии они значительно подкисляют питательную среду, поэтому приспособились к существованию в зоне довольно низких pH. Палочковидные формы выносят более низкие значения pH среды, чем кокковидные. Это кислотолюбивые организмы, оптимум pH обычно составляет 5,5— 5,8 и менее, как правило, они растут при pH 5 и ниже [6,10].
Бактерии рода Streptococcus представляют собой круглые или слегка овальные клетки диаметром от 0,5—0,6 до 1 мкм, расположенные единично, парами или цепочками. Глюкозу сбраживают с образованием в основном правовращающей молочной кислоты. Они широко распространены в природе — на растениях, в почве, навозе, а также в молоке и других субстратах и используются в ряде пищевых производств. К этому роду относятся виды: Str. lactis, Str. cremoris, Str. diacetilactis, Str. thermophilus.
Представители рода Pediococcus — грамположительные неспорообразующие неподвижные кокки, располагающиеся кучками, тетрадами, парами или единично. Оптимальное значение pH равно 5. Эти бактерии предпочитают анаэробные условия. Обитают в бродящих растительных материалах — квашеных овощах, силосе, а также в сыре, молоке, в пищеварительном тракте животных и т. д. К этому роду относится вид P. cerevisiae.
Род Lactobacillus объединяет палочковидные бактерии, характеризующиеся значительным разнообразием формы, которая может меняться от короткой коккообразной до длинной нитевидной