Ферментация. Часть 2.

Ферментация. Часть 2.

Вторая часть полета в микрокосмос



В первой части статьи про ферментацию мы рассмотрели понятие ферментации и некоторые микроорганизмы, ответственные за этот процесс. Во второй части разберем действие представителей царства грибов (дрожжей и плесеней), а также энзимные процессы.


Дрожжи 


Дрожжи — это одноклеточные организмы овальной или удлиненной формы, которые относятся к царству грибов. На сегодняшний день насчитывают по крайней мере 1500 видов дрожжей, все они относятся к отделам Ascomycota и Basidiomycota. 


Наиболее часто встречающиеся в пищевой ферментации дрожжи — это Saccharomyces cerevisiae, которые ответственны за производство алкоголя в таких напитках, как пиво, вино, квас, медовуха, а также преимущественно используются в хлебопечении. Saccharomyces cerevisiae стали первыми эукариотами, чей геном был полностью секвенирован (секвенирование процесс определения аминокислотной или нуклеотидной последовательности, в результате которого получают формальное описание строения молекулы). 



Благоприятные условия для роста S. cerevisiae: температура 20–30 ºС, pH — 4,56,5. Что касается доступа кислорода, то S. cerevisiae относят к факультативно анаэробным, то есть дрожжи не могут расти в строгом отсутствии кислорода, хотя для производства алкоголя все же требуют его ограничения. 


Для получения энергии S. cerevisiae используют различные сахара (глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, лактозу и мальтотриозу), в результате переработки которых получается этанол и углекислый газ. При идеальных условиях количественная конвертация сахаров (на примере глюкозы) в этанол выглядит так: 

То есть теоретически из 1 кг глюкозы можно получить 500 г этанола. Но на практике в этом в индустриальном процессе участвует около 90 % сахаров, так как остальная часть углерода участвует в формировании новой биомассы дрожжей, а также в биосинтезе других ферментационных продуктов метаболизма (например, ароматических компонентов). Также на итоговое количество этанола в продукте брожения влияет то, насколько дрожжи устойчивы к алкоголю. S. cerevisiae могут произвести максимум 5–7 % алкоголя. Существуют и более продуктивные и устойчивые к этанолу дрожжи. Например, высокой толерантностью к алкоголю отличаются штаммы дрожжей Schizosaccharomyces pombe и Saccharomycodes ludwigii, Zygosaccharomyces bailii и Zygosaccharomyces fermentati  (могут существовать при  содержании этанола более 10 %). Есть и более устойчивые штаммы, способные вынести до 14–15 % этанола, которые в основном используются в производстве вина. 


Помимо основного процесса образования этанола из сахаров, существует так называемая вторичная ферментация S. cerevisiae. Основные продукты метаболизма во время вторичной ферментации: высшие спирты, органические кислоты, сложные эфиры, полиолы, альдегиды и вицинальные дикетоны. И хотя по сравнению с этанолом их содержание невелико, они достаточно сильно влияют на формирование вкуса и аромата конечного продукта. Например, глицерин дает ощущение округлости и плотности, сложные эфиры в основном ответственны за фруктовые и цветочные ароматы, а кислоты, кроме очевидной кислотности, могут дать терпкость. 


Для разных целей используются разные штаммы S. cerevisiae: в зависимости от того, какое исходное сырье используется и какие характеристики важны для полученного из него продукта. 


В большинстве случаев чистую культуру S. cerevisiae добавляют специально для того, чтобы брожение шло по более предсказуемому пути. Помимо нее, существует ряд других штаммов дрожжей, которые также добавляются для получения оптимального результата. Например, при производстве вина используют также Saccharomyces bayanus. Также микрофлора винограда содержит большое количество различных  «диких» дрожжей, которые значительно влияют на процесс брожения и конечно на вкус и аромат вина.


В пивном производстве, в зависимости от стиля пива, различают три основные группы дрожжей: 

  • для производства эля (верхнее брожение) используют в основном S. cerevisiae;

  • для лагера (низкое брожение, которое происходит при более низких температурах, чем верхнее) Saccharomyces pastorianus;

  • ламбик в основном производится спонтанным брожением, хотя иногда при его производстве, также как и некоторых других бельгийских стилей пива, используют Brettanomyces bruxellensis


Мир дрожжей многообразен, и в большинстве не изучен. Использование чистых культур дрожжей в равной степени зависит от того, какие дрожжи уже присутствуют на продукте, который будет подвергаться брожению, и от того, какой результат ожидается в конце от конкретного ингредиента. Если вас заинтересовала тема алкогольного брожения, то наиболее успешным путем будет сочетание теоретической базы знаний с экспериментом. И в этом случае не забывайте все документировать, чтобы потом иметь возможность проследить за своим прогрессом (или регрессом). 


Плесени 


Плесени также являются представителями грибов, размножаются спорами. Существуют тысячи различных видов плесеней, среди которых много патогенных и токсичных для человека, но также есть и те, которые приносят нам пользу. Например, используются при производстве различной пищевой продукции или антибиотиков. 


В большинстве своем, плесени нуждаются во влажной теплой среде, хотя есть и те, которые могут расти и при низких температурах. Как правило, они вырабатывают гидролитические ферменты, которые расщепляют комплексные биополимеры, например крахмал или целлюлозу, в более простые субстанции. Это свойство плесеней активно используется в пищевой промышленности, например для производства сыров.


В рамках пищевых плесеней также хотелось бы упомянуть koji. Этим словом в Японии называют рис или ячмень, зараженный плесенью Aspergillus oryzae, который затем используют для производства различных продуктов, например мисо или саке. A. oryzae нуждается в теплой (около 30 ºC) и влажной (70–75%) среде, погибает при температуре более 42 ºС. Если вам интересно, то можете почитать  «The Noma Guide to Fermentation». Там есть подробное описание процесса работы с A. oryzae и с ее близким родственником Aspergillus luchuensis.



Энзимы


Энзимы (от греч. еп — внутри, туте — закваска) , или ферменты (от лат. fermentum — закваска) — неотъемлемые сопровождающие любого процесса брожения или ферментации. Энзимы — биологические катализаторы белковой природы. С термодинамической точки зрения, энзимы ускоряют скорость химической реакции за счет снижения энергии активации (энергии, необходимой для запуска химической реакции). Различают простые и сложные ферменты. Простые ферменты состоят только из аминокислот. К ним относится большая часть гидролитических ферментов. А в состав сложных помимо белковой части входит и небелковая составляющая: кофактор. Кофакторы также называют простетическими группами. Кофакторы могут быть разной химической природы и различаться по прочности связи с полипептидной цепью. 


Активность ферментов сильно зависит от температуры и pH среды. Высокая температура может вызвать денатурацию фермента, тогда скорость реакции будет падать. При этом для каждого фермента существует свой температурный оптимум (температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна). Также для каждого фермента существует свое оптимальное значение pH. Большинство ферментов максимально активны в интервале 6.0 - 8.0 pH, но есть и такие, для которых оптимальна щелочная или же, наоборот, кислотная среда. 


Название фермента складывается из химического названия субстрата (субстратов), на который дейст­вует фермент, типа катализируемой реакции и окончания -аза. Но также допускается использование тривиальных названий ферментов, например пепсин или трипсин. В принятой международной классификации ферменты делятся на 6 главных классов: оксидоредуктазы, трансферазы, лиазы, гидролазы, изомеразы и лигазы (или синтетазы).  


Энзимы играют фундаментальную роль во время брожения. Некоторые из них расщепляют полисахариды на моносахариды (например, крахмал до мальтозы и глюкозы), или протеины на пептиды и аминокислоты. Энзимы достаточно сильно влияют на вкусо-ароматический профиль напитка. Они могут содержаться в микрофлоре самого продукта или появляться в процессе действия дрожжей и других микроорганизмов. Иногда определенные энзимы добавляют специально, чтобы ускорить те или иные процессы.

Процесс расщепления крахмалов амилазой


Хотелось бы рассмотреть еще один процесс, связанный с действием энзимов, но не связанный с брожением. Это процесс, который в английском называется blackening. Наверняка, вы слышали про черный чеснок, или наблюдали более распространенный вариант — почернение бананов со временем. За оба эти процесса в том числе отвечают и энзимы, но только в случае с чесноком процесс почернения специально направлен на получение деликатесного и сложного вкуса, в то время как банан, почерневший со временем, обычно отправляется в мусорку. Хотя, делая процесс более контролируемым и долгосрочным, из банана или же из другого овоща или фрукта можно получить потрясающе интересный продукт. 


Во время направленного почернения происходят одновременно две не энзимные реакции: карамелизация и реакция Майяра (химическая реакция между аминокислотами и сахарами, которая происходит при нагревании, например зажаристая корочка стейка — прямой результат реакции Майяра). Также в потемнении участвуют ферменты, например полифенолоксидаза, которая катализирует процесс образования меланинов из полифенолов. 


В книге  «The Noma Guide to Fermentation» авторы советуют в качестве оптимальных условий проводить процесс потемнения анаэробно (в вакуумных пакетах), при постоянной температуре 60 ºС в течении нескольких недель. Следуя их примерам, можно экспериментировать с яблоками, бананами или кукурузой (или фруктами и овощами на ваш выбор) и получать новые интересные вкусы привычных нам ингредиентов. 


Пять стадий потемнения корня пастернака (ресторан Cub, London)

Источники: 

  1. Wikipedia

  2. Graeme M Walker and Graham G Stewart. Saccharomyces cerevisiae in the Production of Fermented Beverages. 

  3. Atrizia Romano, Angela Capece and Lene Jespersen. Taxonomic and Ecological Diversity of Food and Beverage Yeasts.

  4. Sandor Ellix Katz. The Art of Fermentation.

  5. René Redzepi & David Zilberg. The Noma Guide to Fermentation.

  6. http://med-microbiology.com/index/griby/0-17

  7. https://studfile.net/preview/5437286/page:4/#6

  8. http://test.kirensky.ru/books/book/Biochemistry/chapter_03.htm

  9. https://www.booksite.ru/localtxt/ber/yoz/ovh/berezov.pdf

  10. https://habr.com/ru/post/434944/

  11. Б. И. Збарский, И. И. Иванов, С. Р. Мардашев. Биологическая химия.

Comments

Log in to leave a comment

Be the first who will comment it