Daba ļauj cilvēkam izbaudīt tās priekšrocības. Tajā pašā laikā cilvēki cenšas vairot šīs bagātības, radīt kaut ko jaunu un uzzināt par nezināmo. Baktērijas ir mazākās dabas radības, kuras arī cilvēki ir iemācījušies izmantot savām vajadzībām.
Bet šie prokariotiskie organismi nes ne tikai ar patogēniem procesiem un slimībām saistīto kaitējumu. Tie ir arī avots svarīgam rūpnieciskam procesam, ko cilvēki izmantojuši kopš seniem laikiem - fermentācijas. Šajā rakstā mēs apskatīsim, kas ir šis process un kā konkrēti tiek veikta vielu pienskābes fermentācija.
Raudzēšanas rašanās un izmantošanas vēsture
Pirmais pieminējums, ka fermentācijas procesu izmantoja cilvēki, lai iegūtu noteiktus produktus, parādījās jau 5000. gadā pirms mūsu ēras. Toreiz babilonieši izmantoja šo metodi, lai iegūtu tādus produktus kā:
- siers;
- vīns;
- biezpiens un citipiena produkti.
Vēlāk līdzīgu pārtiku sāka saņemt Ēģiptē, Ķīnā, Sudānā, Meksikā un citos senajos štatos. Viņi sāka cept rauga maizi, raudzēt dārzeņu kultūras, un parādījās pirmie konservēšanas mēģinājumi.
Pienskābes fermentācijas procesu cilvēki izmanto jau tūkstošiem gadu. Sieri, kefīri, jogurti vienmēr ir bijuši svarīga m altītes sastāvdaļa. Visi ārsti un dziednieki zināja par šo produktu priekšrocībām. Tomēr iemesli, kāpēc šāda veida transformācija ir iespējama, ilgu laiku palika nezināmi.
To, ka fermentācijas apstākļos ir nepieciešama mikroorganismu klātbūtne, cilvēki pat iedomāties nevarēja. 17. gadsimta vidū van Helmonts ierosināja ieviest terminu "fermentācija" tiem gatavošanas procesiem, kurus pavada gāzes izdalīšanās. Galu galā tulkojumā šis vārds nozīmē "vārīšanās". Tomēr tikai 19. gadsimtā, tas ir, gandrīz divsimt gadus vēlāk, franču mikrobiologs, ķīmiķis un fiziķis Luiss Pastērs atklāja pasaulei mikrobu, baktēriju esamību.
Kopš tā laika ir kļuvis zināms, ka dažādiem fermentācijas veidiem ir nepieciešami dažāda veida acij neredzami mikroorganismi. Viņu pētījums ļāva laika gaitā kontrolēt fermentāciju un virzīt to cilvēkam pareizajā virzienā.
Raudzēšanas procesu būtība
Ja runājam par to, kas ir fermentācijas process, tad jānorāda tā bioķīmiskā būtība. Galu galā tā pamatā ir tikai baktēriju darbība, kas iegūst enerģiju uz mūžu, vienlaikus radot dažādusblakusprodukti.
Kopumā fermentāciju var raksturot ar vienu vārdu – oksidēšana. Vielas anaerobā sadalīšanās noteiktu baktēriju ietekmē, kā rezultātā veidojas vairāki produkti. Kāda viela ir pamatā, kā arī kāds būs rezultāts, nosaka pats procesa veids. Ir vairākas fermentācijas iespējas, tāpēc šīm pārvērtībām ir klasifikācija.
Klasifikācija
Ir trīs galvenie fermentācijas veidi.
- Alkohols. Tas sastāv no sākotnējās ogļhidrātu molekulas oksidēšanas par etilspirtu, oglekļa dioksīdu, ūdeni un ATP molekulu (enerģijas avotu). Šīs transformācijas tiek veiktas ne tikai baktēriju, bet arī dažādu ģinšu un sugu sēnīšu ietekmē. Tādā veidā kopš seniem laikiem ir iegūti tādi produkti kā alus, vīns, cepamais raugs un alkohols. Enerģija, kas izdalās ogļhidrātu sadalīšanās laikā, tiek tērēta mikroorganisma dzīvības procesu nodrošināšanai. Tā ir procesa bioloģiskā būtība.
- Pienskābes fermentācija ir ogļhidrātu oksidēšana par pienskābi, izdalot vairākus blakusproduktus. Kā tas tiek veikts un kāda veida tas notiek, mēs sīkāk apsvērsim tālāk.
- Sviestskābe. Šāda veida fermentācija ir svarīga dabiskā mērogā. To veic, pateicoties sviestskābes baktēriju dzīvībai svarīgai darbībai, kas dzīvo anaerobos apstākļos purvu apakšā, upju dūņās utt. Pateicoties viņu darbam dabā, tiek apstrādāts milzīgs daudzums organisko komponentu. Produkti ir daudzas vielas, no kurām galvenāsviestskābe. Izdala arī: acetons, izopropilspirts, oglekļa dioksīds, etiķskābe, pienskābe, etilspirts un citi savienojumi.
Katrs no norādītajiem veidiem ir svarīgs gan dabiskajā, gan rūpnieciskajā mērogā. Organismu veidi, kas veic šādas pārvērtības, mūsdienās ir labi izpētīti, un daudzi no tiem tiek kultivēti mākslīgi, lai iegūtu lielu produkta ražu.
Pienskābes fermentācija: vispārējs jēdziens
Šis fermentācijas veids ir zināms kopš seniem laikiem. Jau pirms mūsu ēras Senās Ēģiptes un citu valstu iedzīvotāji prata gatavot sieru, brūvēt alu un vīnu, cept maizi, raudzēt dārzeņus un augļus.
Šodien raudzētiem piena produktiem tiek izmantotas speciālas starterkultūras, mākslīgi tiek audzēti nepieciešamo mikroorganismu celmi. Process ir modernizēts un novests līdz automātismam, veikts ar komplekta aprīkojuma palīdzību. Ir daudzi ražotāji, kas tieši ražo pienskābes fermentāciju.
Visa procesa būtību var apkopot vairākās rindkopās.
- Par galveno produktu tiek ņemts ogļhidrāts - vienkāršs (fruktoze, glikoze, pentozes) vai kompleksais (saharoze, ciete, glikogēns un citi).
- Tiek radīti anaerobie apstākļi.
- Produktam tiek pievienoti noteikta veida pienskābes baktēriju celmi.
- Tiek nodrošināti visi nepieciešamie ārējie faktori, kas ir optimāli vēlamajam produktam: apgaismojums, temperatūra, noteiktu papildu klātbūtnekomponenti, spiediens.
- Pēc fermentācijas procesa pabeigšanas produkts tiek apstrādāts un visi blakus savienojumi tiek izolēti.
Protams, tas ir tikai vispārīgs notiekošā apraksts. Patiesībā katrā posmā notiek daudzas sarežģītas bioķīmiskas reakcijas, jo pienskābes fermentācijas process ir dzīvo būtņu dzīvībai svarīgās darbības rezultāts.
Pienskābes fermentācijas procesa pamati
No ķīmiskā viedokļa šīs pārvērtības ir secīgu posmu virkne.
- Pirmkārt, notiek izmaiņas sākotnējā substrātā, tas ir, mainās vielas (ogļhidrāta) oglekļa ķēde. Tas noved pie pilnīgi atšķirīga rakstura starpproduktu savienojumu parādīšanās, kas pieder pie dažādām klasēm. Piemēram, ja sākotnējais substrāts ir glikoze, tad tas tiek pārkārtots par glikonskābi.
- Oksidācijas-reducēšanās reakcijas, ko pavada gāzu izdalīšanās, blakusproduktu veidošanās. Galvenā vienība visā procesā ir pienskābe. Tieši viņa tiek ražota un uzkrājas fermentācijas laikā. Tomēr tas nav vienīgais savienojums. Tātad veidojas etiķskābes, etilspirta, oglekļa dioksīda, ūdens un dažkārt arī citas pavadošās molekulas.
- Procesa enerģijas ieguve adenozīntrifosforskābes (ATP) molekulu veidā. Uz vienu glikozes molekulu ir 2 ATP molekulas, bet, ja sākotnējam substrātam ir sarežģītāka struktūra, piemēram, celuloze, tad ir trīs ATP molekulas. Šo enerģiju pienskābes baktērijas izmanto turpmākai dzīvei.
Tas ir dabiski, kaja detalizēti saprot bioķīmiskās pārvērtības, tad jānorāda visas starpmolekulas un kompleksi. Piemēram:
- pirovīnskābe;
- adenozīna difosfāts;
- nikotīnamīna difosfāta molekulas kā ūdeņraža nesējs un citi.
Tomēr šis jautājums ir pelnījis īpašu uzmanību un ir jāskata no bioķīmijas viedokļa, tāpēc šajā rakstā to neaiztiksim. Sīkāk apskatīsim, kāda ir pienskābes produktu ražošanas tehnoloģija un kādi fermentācijas veidi pastāv.
Homofermentatīvā fermentācija
Homofermentatīvā pienskābes fermentācija ietver īpašu patogēnu formu izmantošanu un atšķiras no heterofermentatīvās ar iegūtajiem produktiem un to daudzumu. Tas notiek pa glikolītisko ceļu mikroorganisma šūnā. Apakšējā līnija, tāpat kā jebkurā fermentācijā, ir ogļhidrātu pārvēršana pienskābē. Šī procesa galvenā priekšrocība ir tā, ka vēlamā produkta iznākums ir 90%. Un tikai pārējais attiecas uz blakus savienojumiem.
Šādu sugu baktēriju fermentācija:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus un citi.
Kādas citas vielas veidojas homofermentatīvās fermentācijas rezultātā? Tie ir savienojumi, piemēram:
- etilspirts;
- gaistošās skābes;
- oglekļa dioksīds;
- fumārskābe un dzintarskābe.
Tomēr rūpniecībā šo raudzēto piena produktu iegūšanas metodi praktiski neizmanto. Dabā tas tiek saglabāts kā glikolīzes sākuma stadija, tas notiek arī zīdītāju muskuļu šūnās lielas fiziskas slodzes laikā.
Cilvēku uzturam nepieciešamo produktu ražošanas tehnoloģija ietver tādu sākotnējo ogļhidrātu izmantošanu kā:
- glikoze;
- saharoze;
- fruktoze;
- mannoze;
- ciete un daži citi.
Un homofermentatīvās baktērijas nespēj oksidēt daudzus no šiem savienojumiem, tāpēc to izmantošana kā starterkultūras ražošanā nav iespējama.
Heterofermentatīvā pienskābes fermentācija
Šī metode ir tieši rūpnieciski pielietojama, pateicoties kurai tiek veikta visu raudzēto piena produktu ražošana, tiek konservēti dārzeņi, tiek novākta skābbarības barība lopiem.
Galvenā atšķirība no iepriekš aprakstītās ir tā, ka patogēni veic pienskābes fermentāciju, veidojot lielāku skaitu blakusproduktu. Tikai 50% cukura baktērijas pārstrādā pienskābē, pārējais tiek izmantots tādu molekulu veidošanai kā:
- etiķskābe;
- glicerīns;
- oglekļa dioksīds;
- etilspirts un citi.
Kā tas ir labāk un izdevīgāk par 90% tīras pienskābes veidošanu ar homofermentatīvo metodi? Lieta tāda, ka tad, kad tiek ražots galvenais produktspārāk daudz, tad daudzu baktēriju dzīvībai svarīgā darbība tiek pilnībā kavēta. Turklāt produkti zaudē daudzas garšas īpašības, ko tie iegūst blakus savienojumu dēļ. Tā, piemēram, patīkamo konservētu dārzeņu aromātu nodrošina etiķskābe un izoamilspirts. Ja šo savienojumu nav, saglabāšanas rezultāts būs pavisam cits.
Pienskābes iznākums 50% apmērā ir pilnīgi pietiekams, lai nomāktu visu sistēmā esošo svešo sēņu un mikroorganismu attīstību un dzīvībai svarīgo aktivitāti. Jo pat 1-2% izraisa pārāk spēcīgu vides paskābināšanos, kurā nevar pastāvēt nekādi citi organismi, izņemot pienskābes baktērijas. Viss process tiek veikts pa pentozes fosfāta ceļu.
Raudzēšanas apstākļiem heterofermentatīvajai metodei jābūt šādiem:
- labs un svaigs starteris pievienots sākotnējā posmā;
- optimāli ārējie apstākļi, kas tiek atlasīti katram produktam atsevišķi;
- kvalitatīvs un labi funkcionējošs aprīkojums;
- visas procesam nepieciešamās tehniskās ierīces.
Starp ārējiem apstākļiem procesa temperatūrai ir īpaša nozīme. Tam nevajadzētu būt pārāk augstam, taču aukstums krasi palēninās visu fermentācijas gaitu.
Šodien ir specializēta fermentācijas tvertne, kas automātiski rada visus nepieciešamos apstākļus pareizai un ērtai mikroorganismu funkcionēšanai.
Nepieciešams aprīkojums
Kā minēts iepriekš, viens no svarīgākajiem atribūtiemJāņem vērā fermentācijas spēja. Ja mēs runājam par mājas procedūru, tad jums vajadzētu pievērst uzmanību konservēšanas laikā izmantoto trauku tīrībai, jogurta un citu produktu ražošanai. Viens no veidiem, kā samazināt svešu mikroorganismu populāciju skaitu, ir konteinerus pirms to lietošanas sterilizēt.
Kuri ēdieni ir piemēroti heterofermentatīvai fermentācijai? Tas var būt stikla vai augstas kvalitātes plastmasas (polipropilēna, polietilēna) trauks, ko var cieši noslēgt ar vāku.
Nozarē tiek izmantotas īpašas ierīces konteineru dezinfekcijai un tīrīšanai pirms fermentācijas procesa sākuma.
Procesā izmantotās baktērijas
Ja runājam par baktēriju kultūrām, kuras izmanto konservētu un raudzētu piena produktu ražošanai, tad varam identificēt vairākus izplatītākos organismu veidus.
- Acidofīlā bulgāru nūja.
- Lactobacillus sugas Sporolactobacillus inulinus.
- Bifidobaktērijas.
- Leukostocks.
- Pienskābes koki.
- Lactobacillus sugas L. Casei.
- Streptococcus ģints baktērijas un citas.
Pamatojoties uz norādīto organismu kombināciju un tīrkultūrām, tiek izgatavotas iesāckultūras raudzētiem piena produktiem. Tie ir publiski pieejami, tos var iegādāties ikviens. Vissvarīgākais ir ievērot fermentācijas procesa nosacījumus, lai gūtu labumu no iegūtāprodukts.
Kādi produkti tiek iegūti no šīs fermentācijas?
Ja runājam par to, kādus fermentācijas produktus var iegūt ar laktobacillu palīdzību, tad varam nosaukt vairākas galvenās kategorijas.
- Raudzētie piena produkti (raudzēts ceptais piens, jogurti, varenets, kefīrs, biezpiens, skābais krējums, sviests, acidophilus produkti un citi).
- Silosa tipa barība lauksaimniecības dzīvniekiem.
- Pienskābe, ko izmanto bezalkoholisko dzērienu ražošanā, kažokādu apstrādē un citur.
- Cepšana, siera ražošana.
- Augļu un dārzeņu konservi.
Tas viss pierāda noteiktu baktēriju veidu nozīmi cilvēku dzīvē, viņu rūpnieciskajā darbībā.
