Příroda umožňuje člověku využívat výhod, které jsou v ní k dispozici. Zároveň se lidé snaží toto bohatství zvětšovat, vytvářet něco nového a poznávat nepoznané. Bakterie jsou nejmenšími tvory přírody, které se lidé také naučili využívat pro své vlastní účely.
Ale nejen škody spojené s patogenními procesy a nemocemi nesou tyto prokaryotické organismy. Jsou také zdrojem důležitého průmyslového procesu, který lidé používali již od starověku – fermentace. V tomto článku se zamyslíme nad tím, co je to za proces a jak konkrétně probíhá mléčná fermentace látek.
Historie výskytu a použití fermentace
První zmínka o tom, že proces fermentace lidé používali k získání určitých produktů, se objevila již v roce 5000 před naším letopočtem. Tehdy Babyloňané použili tuto metodu k získání produktů, jako jsou:
- sýr;
- víno;
- sražené mléko a dalšímléčné výrobky.
Později začaly podobné potraviny dostávat v Egyptě, Číně, Súdánu, Mexiku a dalších starověkých státech. Začali péct kvasnicový chléb, fermentovat zeleninové plodiny a objevily se první pokusy o zavařování.
Proces mléčné fermentace lidé používají již tisíce let. Sýry, kefíry, jogurty byly vždy důležitou součástí jídla. Všichni lékaři a léčitelé věděli o výhodách těchto produktů. Důvody, proč je tento druh transformace možný, však zůstávaly dlouho neznámé.
Skutečnost, že podmínky fermentace vyžadují přítomnost mikroorganismů, si lidé nedokázali ani představit. V polovině 17. století navrhl Van Helmont zavést termín „fermentace“pro ty procesy vaření, které jsou doprovázeny uvolňováním plynu. Ostatně v překladu toto slovo znamená „vaření“. Avšak teprve v 19. století, tedy téměř o dvě stě let později, francouzský mikrobiolog, chemik a fyzik Louis Pasteur objevil existenci mikrobů, bakterií pro svět.
Od té doby je známo, že různé typy fermentace vyžadují přítomnost různých druhů mikroorganismů, které jsou okem neviditelné. Jejich studie umožnila postupem času řídit fermentaci a nasměrovat ji správným směrem pro člověka.
Podstata fermentačních procesů
Pokud mluvíme o tom, co je fermentační proces, pak bychom měli poukázat na jeho biochemickou povahu. Vždyť v jádru jde jen o činnost bakterií, které pro sebe získávají energii pro život a přitom produkují různévedlejší produkty.
Obecně lze fermentaci popsat jedním slovem – oxidace. Anaerobní rozklad látky pod vlivem určitých bakterií, který vede ke vzniku řady produktů. Jaká látka je základem, stejně jako jaký bude výsledek, je dáno samotným typem procesu. Existuje několik možností fermentace, takže existuje klasifikace těchto transformací.
Klasifikace
Existují tři hlavní typy fermentace.
- Alkohol. Spočívá v oxidaci původní molekuly sacharidu na etylalkohol, oxid uhličitý, vodu a molekulu ATP (zdroj energie). Tyto přeměny se provádějí působením nejen bakterií, ale také hub různých rodů a druhů. Právě tímto způsobem se od pradávna získávaly produkty jako pivo, víno, pekařský droždí a alkohol. Energie, která se uvolňuje při rozkladu sacharidů, se vynakládá na zajištění životně důležitých procesů mikroorganismu. Toto je biologická podstata procesu.
- Mléčná fermentace je oxidace sacharidů na kyselinu mléčnou s uvolněním řady vedlejších produktů. Jak se to provádí a jaké typy se to děje, budeme dále zvažovat podrobněji.
- Kyselina máselná. Tento typ fermentace je důležitý v přirozeném měřítku. Provádí se díky životně důležité aktivitě bakterií kyseliny máselné, které žijí v anaerobních podmínkách na dně bažin, říčního bahna a tak dále. Díky jejich práci v přírodě se zpracovává obrovské množství organických složek. Produkty jsou mnohé látky, z nichž hlavníkyselina máselná. Také emitovány: aceton, isopropylalkohol, oxid uhličitý, kyselina octová, kyselina mléčná, ethylalkohol a další sloučeniny.
Každý z uvedených typů je důležitý v přírodním i průmyslovém měřítku. Typy organismů, které provádějí takové přeměny, jsou dnes dobře prozkoumány a mnohé z nich jsou pěstovány uměle, aby se získal velký výnos produktu.
Mléčná fermentace: obecný koncept
Tento typ fermentace je znám již od starověku. Již před naším letopočtem věděli obyvatelé starověkého Egypta a dalších států, jak vyrábět sýr, vařit pivo a víno, péct chléb, kvasit zeleninu a ovoce.
Dnes se pro fermentované mléčné výrobky používají speciální startovací kultury, uměle se pěstují kmeny potřebných mikroorganismů. Proces byl modernizován a doveden k automatizaci, prováděné s pomocí kompletního vybavení. Existuje mnoho výrobců, kteří přímo vyrábějí mléčné kvašení.
Podstatu celého procesu lze shrnout do několika odstavců.
- Jako hlavní produkt se bere sacharid – jednoduchý (fruktóza, glukóza, pentózy) nebo složený (sacharóza, škrob, glykogen a další).
- Vytvářejí se anaerobní podmínky.
- Kmeny bakterií mléčného kvašení určitého typu se přidávají do produktu.
- Jsou zajištěny všechny nezbytné vnější faktory, které jsou optimální pro požadovaný produkt: osvětlení, teplota, přítomnost určitých přídavnýchkomponenty, tlak.
- Po dokončení fermentačního procesu je produkt zpracován a všechny vedlejší sloučeniny jsou izolovány.
Toto je samozřejmě jen obecný popis toho, co se děje. Ve skutečnosti v každé fázi probíhá mnoho složitých biochemických reakcí, protože proces mléčné fermentace je výsledkem životně důležité činnosti živých bytostí.
Základy procesu mléčné fermentace
Z chemického hlediska jsou tyto přeměny sledem po sobě jdoucích fází.
- Zaprvé dochází ke změně původního substrátu, tedy ke změně uhlíkového řetězce látky (sacharidu). To vede ke vzniku meziproduktů zcela odlišné povahy, které patří do různých tříd. Pokud je například výchozím substrátem glukóza, pak se přeskupí na kyselinu glukonovou.
- Oxidačně-redukční reakce, doprovázené uvolňováním plynů, tvorbou vedlejších produktů. Hlavní jednotkou v celém procesu je kyselina mléčná. Je to ona, kdo se vyrábí a hromadí během fermentace. To však není jediné spojení. Dochází tedy ke vzniku molekul kyseliny octové, ethylalkoholu, oxidu uhličitého, vody a někdy i dalších doprovodných molekul.
- Energetická výtěžnost procesu ve formě molekul kyseliny adenosintrifosforečné (ATP). Na molekulu glukózy připadají 2 molekuly ATP, ale pokud má výchozí substrát složitější strukturu, například celulózu, pak jsou molekuly ATP tři. Tuto energii využívají bakterie mléčného kvašení pro další život.
Je to přirozenépokud člověk podrobně rozumí biochemickým transformacím, pak by měly být uvedeny všechny intermediární molekuly a komplexy. Například:
- kyselina pyrohroznová;
- adenosindifosfát;
- molekuly nikotinamindifosfátu jako nosič vodíku a další.
Tato problematika si však zaslouží zvláštní pozornost a měla by být zvažována z hlediska biochemie, proto se jí v tomto článku nebudeme dotýkat. Podívejme se blíže na to, jaká je technologie výroby produktů kyseliny mléčné a jaké typy fermentace existují.
Homofermentativní fermentace
Homofermentativní mléčná fermentace zahrnuje použití speciálních forem patogenů a od heterofermentativní se liší výslednými produkty a jejich množstvím. Vyskytuje se podél glykolytické dráhy uvnitř buňky mikroorganismu. Základem je, jako obecně u každé fermentace, přeměna sacharidů na kyselinu mléčnou. Hlavní výhodou tohoto způsobu je, že výtěžek požadovaného produktu je 90 %. A pouze zbytek jde na vedlejší sloučeniny.
Kvašení bakterií tohoto typu následujících druhů:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus a další.
Jaké další látky vznikají v důsledku homofermentativní fermentace? Toto jsou spojení jako:
- ethylalkohol;
- těkavé kyseliny;
- oxid uhličitý;
- kyselina fumarová a jantarová.
Tento způsob získávání kysaných mléčných výrobků se však v průmyslu prakticky nepoužívá. V přírodě se uchovává jako počáteční stadium glykolýzy, vyskytuje se také ve svalových buňkách savců při velké fyzické námaze.
Technologie pro výrobu nezbytných produktů pro lidskou výživu zahrnuje použití takových počátečních sacharidů, jako jsou:
- glukóza;
- sacharóza;
- fruktóza;
- manóza;
- škrob a některé další.
A homofermentativní bakterie nejsou schopny mnohé z těchto sloučenin oxidovat, takže jejich použití jako startovací kultury při výrobě není možné.
Heterofermentativní mléčná fermentace
Tato metoda je právě ta průmyslově využitelná, díky které probíhá výroba všech kysaných mléčných výrobků, konzervace zeleniny a sklizeň silážního krmiva pro hospodářská zvířata.
Hlavní rozdíl oproti tomu, co bylo popsáno dříve, je v tom, že patogeny provádějí fermentaci kyseliny mléčné s tvorbou většího množství vedlejších produktů. Pouze 50 % cukru je zpracováno bakteriemi na kyselinu mléčnou, zbytek jde na tvorbu molekul jako:
- kyselina octová;
- glycerin;
- oxid uhličitý;
- etylalkohol a další.
Jak je to lepší a výnosnější než tvorba 90% čisté kyseliny mléčné homofermentativní metodou? Jde o to, že když se vyrábí hlavní produktpříliš mnoho, pak je životně důležitá aktivita mnoha bakterií zcela inhibována. Kromě toho produkty ztrácejí mnoho chuťových kvalit, které získávají díky vedlejším sloučeninám. Takže například příjemnou vůni konzervované zeleniny zajišťuje kyselina octová a isoamylalkohol. Pokud tyto sloučeniny nejsou přítomny, bude výsledek konzervace zcela odlišný.
Výtěžek kyseliny mléčné 50 % je zcela dostatečný k potlačení rozvoje a životně důležité aktivity všech cizorodých hub a mikroorganismů v systému. Protože i 1-2% způsobují příliš silné okyselení prostředí, ve kterém nemohou existovat žádné jiné organismy, kromě bakterií mléčného kvašení. Celý proces probíhá podél pentózofosfátové dráhy.
Podmínky fermentace pro heterofermentativní metodu by měly být následující:
- dobrý a čerstvý předkrm přidán v počáteční fázi;
- optimální vnější podmínky, které jsou vybírány pro každý produkt individuálně;
- vysoce kvalitní a dobře fungující vybavení;
- všechna technická zařízení nezbytná pro proces.
Mezi vnějšími podmínkami má zvláštní význam procesní teplota. Nemělo by být příliš vysoké, ale chlad drasticky zpomalí celý průběh kvašení.
Dnes existuje specializovaná fermentační nádrž, která automaticky vytváří všechny potřebné podmínky pro správné a pohodlné fungování mikroorganismů.
Požadované vybavení
Jak jsme uvedli výše, patří mezi nejdůležitější atributyje třeba poznamenat kapacitu pro fermentaci. Pokud mluvíme o domácím postupu, měli byste věnovat pozornost čistotě nádobí používaného při konzervaci, výrobě jogurtu a dalších produktů. Jedním ze způsobů, jak snížit počet cizích populací mikroorganismů, je sterilizovat nádoby před jejich použitím.
Jaká jídla jsou vhodná pro heterofermentativní fermentaci? Může to být skleněná nebo vysoce kvalitní plastová (polypropylen, polyetylen) nádoba, kterou lze těsně uzavřít víkem.
Průmysl používá speciální zařízení pro dezinfekci a čištění nádob před začátkem fermentačního procesu.
Bakterie použité v procesu
Pokud mluvíme o bakteriálních kulturách, které se používají k výrobě konzervovaných a fermentovaných mléčných výrobků, pak můžeme identifikovat několik nejběžnějších typů organismů.
- Acidofilní bulharská tyčinka.
- Lactobacillus druh Sporolactobacillus inulinus.
- Bifdobakterie.
- Leukostocks.
- Koky kyseliny mléčné.
- Lactobacillus druh L. Casei.
- Bakterie rodu Streptococcus a další.
Na základě kombinace a čistých kultur uvedených organismů se vyrábějí startovací kultury pro fermentované mléčné výrobky. Jsou ve veřejné doméně, může si je koupit kdokoli. Nejdůležitější je dodržet podmínky fermentačního procesu, abyste z výsledku měli prospěchprodukt.
Jaké produkty se získávají z této fermentace?
Pokud mluvíme o tom, jaké fermentační produkty lze získat pomocí laktobacilů, pak můžeme jmenovat několik hlavních kategorií.
- Kvašené mléčné výrobky (kvašené pečené mléko, jogurty, varenetky, kefíry, tvaroh, zakysaná smetana, máslo, acidofilní produkty a další).
- Krmivo typu sila pro hospodářská zvířata.
- Kyselina mléčná, která se používá při výrobě nealkoholických nápojů, úpravě kožešin a dalších.
- Pečení, výroba sýra.
- Konzervované ovoce a zelenina.
To vše dokazuje důležitost určitých typů bakterií v životech lidí, jejich průmyslové činnosti.
