Бродіння молочнокисле: технологія і необхідне обладнання. Гетероферментативне молочнокисле бродіння

Бродіння молочнокисле: технологія і необхідне обладнання. Гетероферментативне молочнокисле бродіння


Природа дозволяє людині користуватися тими благами, що в ній є. При цьому люди намагаються ці багатства примножувати, створювати щось нове і пізнавати ще невідоме. Бактерії - це найдрібніші створення природи, яких також навчився використовувати у своїх цілях чоловік.

Але не тільки шкода, пов'язана з патогенними процесами і хворобами, несуть в собі ці прокаріотичні організми. Вони ще є джерелом важливого промислового процесу, який здавна застосовується людьми - бродіння. У цій статті ми розглянемо, що являє собою цей процес і як здійснюється конкретно молочнокисле збражування речовин.

Історія виникнення та використання бродіння

Перші згадки про те, що процес бродіння використовувався людьми з метою отримання певної продукції, з'явилися ще 5000 році до нашої ери. Саме тоді вавилоняни використовували цей спосіб для отримання таких продуктів, як:

  • сир;
  • вино;
  • простокваша та інші молочні вироби.

Пізніше подібне продовольство стали отримувати і в Єгипті, Китаї, Судані, Мексиці та інших стародавніх державах. Стали випікати дріжджовий хліб, збражувати овочеві культури, з'явилися перші спроби консервування.

Процес молочнокислого бродіння застосовувався людьми тисячоліттями. Сири, кефіри, йогурти були важливою частиною трапези в усі часи. Про користь цих продуктів знали всі лекарі і лікарники. Однак причини, через які можливе перетворення подібного роду, довгий час залишалися невідомими.

Те, що умови бродіння вимагають присутності мікроорганізмів, люди навіть припустити не могли. У середині XVII століття Ван Гельмонт запропонує ввести термін "бродіння" "для тих процесів приготування їжі, які супроводжуються виділенням газу. Адже в перекладі це слово означає «киплячий». Однак лише в XIX столітті, тобто майже двісті років потому, французький мікробіолог, хімік і фізик Луї Пастер відкрив світу існування мікробів, бактерій.

Відтоді стало відомо про те, що різне бродіння вимагає присутності різного роду невидимих оку мікроорганізмів. Їх вивчення дало можливість з часом керувати бродінням і направляти його в потрібну людині сторону.

Суть процесів бродіння

Якщо говорити про те, що собою являє процес бродіння, то слід вказати на його біохімічну природу. Адже, по своїй суті, це просто діяльність бактерій, які видобувають собі енергію для життя, виробляючи при цьому різні побічні продукти.

Загалом бродіння можна позначити одним словом - окислення. Анаеробний розпад будь-якої речовини під впливом тих чи інших бактерій, який призводить до утворення цілого ряду продуктів. Яка речовина лежить в основі, а також що вийде в результаті, визначається типом самого процесу. Виділяють декілька варіантів бродіння, тому існує своя класифікація даних перетворень.

Класифікація

Всього виділяють три основні типи бродіння.

  1. Спиртове. Полягає в окисленні вихідної молекули вуглеводу до етилового спирту, вуглекислого газу, води і молекули АТФ (джерела енергії). Дані перетворення здійснюються під дією не тільки бактерій, а й грибів різних родів і видів. Саме таким способом здавна отримують такі продукти, як пиво, вино, дріжджі для випічки, спирт. Та енергія, що виділяється в ході розкладання вуглеводу, йде на забезпечення процесів життєдіяльності мікроорганізму. Саме в цьому полягає біологічна суть процесу.
  2. Бродіння молочнокисле полягає в окисленні вуглеводів до молочної кислоти з виходом ряду побічних продуктів. Як воно здійснюється і яких видів буває, розглянемо докладніше далі.
  3. Маслянокисле. Цей тип бродіння важливий у природному масштабі. Він здійснюється за рахунок життєдіяльності маслянокислих бактерій, які живуть в анаеробних умовах на дні боліт, річковому мулі і так далі. Завдяки їхній роботі в природі переробляється величезна кількість органічних компонентів. Продуктами є багато речовин, основна серед яких масляна кислота. Також виділяються: ацетон, ізопропіловий спирт, вуглекислий газ, оцтова кислота, молочна, етиловий спирт та інші сполуки.

Кожен з позначених типів має важливе значення як природного, так і промислового масштабу. Види організмів, що здійснюють подібні перетворення, добре вивчені на сьогоднішній день і багато з них культивуються штучно для того, щоб отримувати великий вихід продукту.

Бродіння молочнокисле: загальне поняття

Цей вид бродіння відомий з самої давнини. Ще до нашої ери жителі Стародавнього Єгипту та інших держав вміли виготовляти сир, варити пиво і вино, випікати хліб, сквашувати овочі та фрукти.

Сьогодні використовуються спеціальні закваски для кисломолочних продуктів, штучно вирощуються штами потрібних мікроорганізмів. Процес модернізований і доведений до автоматизму, проводиться за допомогою комплектаційного обладнання. Існує безліч заводів-виробників, які безпосередньо виробляють бродіння молочнокисле.

Суть всього процесу можна викласти в декількох пунктах.

  1. За основний продукт вихідний береться вуглевод - простий (фруктоза, глюкоза, пентози) або складний (цукрозу, крохмаль, глікоген та інші).
  2. Створюються анаеробні умови.
  3. У продукт підселяються штами молочнокислих бактерій певного виду.
  4. Забезпечуються всі необхідні зовнішні фактори, які є оптимальними для бажаного продукту: освітленість, температура, наявність тих чи інших доданих компонентів, тиск.
  5. Після завершення процесу бродіння відбувається обробка продукту і виділення всіх побічних з'єднань.

Звичайно, це лише загальний опис того, що відбувається. Насправді на кожному етапі відбувається безліч складних біохімічних реакцій, адже процес молочнокислого бродіння - це результат життєдіяльності живих істот.

Основи процесу молочнокислого бродіння

З хімічної точки зору ці перетворення являють собою ряд послідовних стадій.

  1. Спочатку відбувається зміна вихідного субстрату, тобто змінюється вуглецевий ланцюг речовини (вуглевода). Це призводить до появи проміжних сполук зовсім іншої природи, що відносяться до різних класів. Наприклад, якщо вихідний субстрат - глюкоза, то вона перебудовується в глюконову кислоту.
  2. Окислювально-відновлювальні реакції, що супроводжуються виділенням газів, утворенням побічних продуктів. Основною одиницею в ході всього процесу є молочна кислота. Саме вона виробляється і накопичується в ході бродіння. Однак це не єдине з'єднання. Так, відбувається формування молекул оцтової кислоти, етилового спирту, вуглекислого газу, води, іноді й інших супроводжуючих.
  3. Енергетичний вихід процесу у вигляді молекул аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). На одну молекулу глюкози припадає 2 молекули АТФ, якщо ж вихідний субстрат більш складної будови, наприклад целюлоза, тоді три молекули АТФ. Цю енергію використовують молочнокислі бактерії для подальшої життєдіяльності.

Природно, що якщо розбиратися в біохімічних перетвореннях докладно, то слід вказувати всі проміжні молекули і комплекси. Такі, наприклад, як:

  • пировиноградна кислота;
  • аденозиндифосфат;
  • молекули нікотинаміндифосфату як переносника водню та інші.

Однак це питання заслуговує окремої уваги і розглядатися має з точки зору біохімії, тому його зачіпати в цій статті не будемо. Більш детально розглянемо, яка технологія виробництва молочнокислих продуктів і які види розглянутого бродіння існують.

Гомоферментативне бродіння

Гомоферментативне бродіння молочнокисле передбачає використання спеціальних форм збудників і відрізняється від гетероферментативного одержуваними продуктами та їх кількістю. Відбувається воно по гліколітичному шляху всередині клітини мікроорганізму. Суть полягає, як і в цілому у будь-якого бродіння, в перетворенні вуглеводів на молочну кислоту. Основна перевага подібного процесу в тому, що вихід потрібного продукту становить 90%. І лише частина, що залишилася, йде на побічні з'єднання.

Бактерії бродіння такого типу таких видів:

  • Streptococcus lactis.
  • Lactobacillus casei.
  • Lactobacillus acidophilus та інші.

Які ще речовини утворюються в результаті гомоферментативного бродіння? Це такі з'єднання, як:

  • етиловий спирт;
  • летючі кислоти;
  • вуглекислий газ;
  • фумарова і бурштинова кислота.

Однак у промисловості цей спосіб отримання кисломолочної продукції практично не використовується. Він зберігся в природі як початковий етап гліколізу, він же відбувається в клітинах м'язів ссавців при великих фізичних навантаженнях.

Технологія виробництва потрібних продуктів для харчування людей передбачає використання таких вихідних вуглеводів, як:

  • глюкоза;
  • цукрозу;
  • фруктоза;
  • маннозу;
  • крохмаль і деякі інші.

А гомоферментативні бактерії не здатні окисляти багато з цих сполук, тому їх використання в якості заквасок при виробництві не представляється можливим.

Гетероферментативне молочнокисле бродіння

Цей спосіб є саме тим промислово застосовним, завдяки якому і здійснюється виробництво всієї кисломолочної продукції, здійснюється консервація овочів, відбувається заготівля силосних кормів для худоби.

Основна відмінність від описаного раніше - це те, що молочнокисле бродіння збудники здійснюють з утворенням більшого числа побічних продуктів. Лише 50% цукру переробляється бактеріями в молочну кислоту, решта ж йде на формування таких молекул, як:

  • оцтова кислота;
  • гліцерин;
  • діоксид вуглецю;
  • етиловий спирт та інші.

Чим це краще і вигідніше, ніж утворення 90% чистої молочної кислоти при гомоферментативному методі? Вся справа в тому, що коли основного продукту виробляється занадто багато, то життєдіяльність багатьох бактерій пригнічується зовсім. Крім того, продукти втрачають багато смакових якостей, які купують завдяки побічним сполукам. Наприклад, приємний аромат консервованих овочів забезпечується оцтовою кислотою та ізоаміловим спиртом. Якщо ж цих з'єднань не буде, то результат консервації стане зовсім іншим.

Вихід молочної кислоти в 50% цілком достатній для придушення розвитку і життєдіяльності всіх сторонніх грибків і мікроорганізмів у системі. Тому що навіть 1-2% викликають занадто сильне підкислення середовища, в якому не можуть існувати жодні інші організми, крім молочнокислих бактерій. Весь процес здійснюється по пентозофосфатному шляху.

Умови бродіння при гетероферментативному способі повинні бути такими:

  • хороша і свіжа закваска, що додається на початковому етапі;
  • оптимальні зовнішні умови, які підбираються для кожного продукту індивідуально;
  • якісне та налагоджене обладнання;
  • всі необхідні для процесу технічні пристосування.

Серед зовнішніх умов особливе значення має температура процесу. Вона не повинна бути занадто високою, але і холод різко загальмує весь хід бродіння.

Сьогодні існує спеціалізована ємність для бродіння, яка автоматично створює всі необхідні умови для правильної і комфортної роботи мікроорганізмів.

Необхідне обладнання

Як ми вже зазначили вище, серед найважливіших атрибутів слід відзначити ємність для бродіння. Якщо говорити про домашнє проведення процедури, то тоді слід звернути увагу на чистоту використовуваного посуду при консервації, виготовленні простокваші та інших продуктів. Одним із способів домогтися скорочення чисельності сторонніх популяцій мікроорганізмів є стерилізація ємностей перед їх використанням.

Який посуд підійде для гетероферментативного бродіння? Це може бути скляна або якісна пластикова (поліпропіленова, поліетиленова) ємність, яка здатна щільно закриватися кришкою.

У промисловості використовують спеціальні пристрої для знезараження та очищення тари перед початком процесу бродіння.

Бактерії, які використовуються в процесі

Якщо говорити про культури бактерій, які використовуються для створення консервованих і кисломолочних продуктів, то можна позначити кілька найпоширеніших видів організмів.

  1. Ацидофільна болгарська паличка.
  2. Лактобактерії виду Sporolactobacillus inulinus.
  3. Біфідобактерії.
  4. Лейконостоки.
  5. Молочнокислі кокки.
  6. Лактобактерії виду L. Casei.
  7. Бактерії роду Streptococcus та інші.

На основі поєднання і чистих культур позначених організмів виготовляють закваски для кисломолочних продуктів. Вони знаходяться у відкритому доступі, їх може придбати кожен бажаючий. Найголовніше, це дотримуватися умов процесу бродіння, щоб отримати користь від продукту, що утворюється.

Які продукти отримують у результаті такого бродіння?

Якщо говорити про те, які продукти бродіння можна отримати за допомогою лактобактерій, то можна назвати кілька основних категорій.

  1. Кисломолочні продукти харчування (ряжанка, йогурти, варенці, кефір, сир, сметана, масло вершкове, ацидофільна продукція та інші).
  2. Корми силосного типу для сільськогосподарських тварин.
  3. Молочна кислота, яку використовують при виготовленні безалкогольних напоїв, виділення хутряних шкур та інше.
  4. Хлібопечення, виробництво сирів.
  5. Консервування овочів і фруктів.

Все це доводить важливе значення бактерій певних видів у житті людей, їх промислової діяльності.



Матеріали по темі