50. Метаболізм мікробів. Бродіння. Види бродіння. Мікроорганізми, що викликають ці процеси

Метаболізм - сукупність різноманітних ферментативних реакцій, що відбуваються в мікробній клітині і спрямованих на отримання енергії та перетворення простих хімічних сполук на більш складні. Метаболізм забезпечує відтворення всього клітинного матеріалу, включаючи два єдині і одночасно протилежні процеси – конструктивний та енергетичний обмін.

Метаболізм протікає у три етапи:

1.катаболізм – розпад органічних речовин більш прості фрагменти;

2.амфіболізм - реакції проміжного обміну, в результаті яких прості речовини перетворюються на ряд органічних кислот, фосфорних ефірів та ін;

3.анаболізм – етап синтезу мономерів та полімерів у клітині.

Метаболічні шляхи формувалися у процесі еволюції.

Основною властивістю бактеріального метаболізму є пластичність та висока інтенсивність, зумовлена ​​малими розмірами організмів.

До метаболічних шляхів у прокаріотів відносяться бродіння, фотосинтез та хемосинтез. Найбільш примітивним способом отримання енергії, властивим певним групам прокаріотів, є процеси бродіння.

Бродіння– метаболічний процес, властивий бактеріям, що характеризує енергетичну сторону способу існування кількох груп прокаріотів, при якому вони здійснюють в анаеробних умовах окислювально-відновні перетворення. органічних сполук, що супроводжуються виходом енергії, яку ці організми використовують.

бродіння протікає без участі молекулярного кисню, все окислювально-відновлювальні перетворення субстрату відбуваються з допомогою його «внутрішніх» можливостей. В результаті на окисних етапах процесу вивільняється частина вільної енергії, укладеної в молекулі субстрату, і відбувається запасання її в молекулах АТФ. Відбувається розщеплення вуглецевого скелета молекули субстрату.

Коло органічних сполук, які можуть зброджуватися, досить широке:

Вуглеводи, спирти, органічні кислоти, амінокислоти, пурини, піримідини.

Може бути піддане зброджування, якщо воно містить неповністю окислені (або відновлені) вуглецеві атоми

продуктами бродіння є різні органічні кислоти (молочна, масляна, оцтова, мурашина), спирти (етиловий, бутиловий, пропіловий), ацетон, а також СО2 та Н2

утворюється кілька продуктів. Залежно від того, який основний продукт накопичується в середовищі, розрізняють молочнокисле, спиртове, маслянокисле, пропіоновокисле та інші види бродів.

У кожному вигляді бродіння можна виділити дві сторони: окисну та відновлювальну. Процеси окислення зводяться до відриву електронів від певних метаболітів за допомогою специфічних ферментів (дегідрогеназ) і акцептуванню їх іншими молекулами, що утворюються з субстрату, що зброджується, тобто в процесі бродіння відбувається окислення анаеробного типу

Енергетичною стороною процесів бродіння є їх окисна частина, реакції є окисними

Існує кілька винятків із цього правила: деякі анаероби частина енергії при зброджуванні субстрату отримують також у результаті розщеплення, що каталізується ліазами.

Примітивність процесів бродіння у тому, що з субстрату внаслідок його анаеробного перетворення витягується лише незначна частка тієї хімічної енергії, що у ньому міститься. Продукти, що утворюються у процесі бродіння, все ще містять у собі значну кількість енергії, що полягала у вихідному субстраті.

При дихальному метаболізмі при розщепленні глюкози виділяється 2870,22 кДж/моль енергії, при бродінні на тому ж субстраті витягується 196,65 кДж/моль енергії. У процесі гомоферментативного молочнокислого бродіння синтезуються 2 молекули АТФ на 1 молекулу збродженої глюкози; у процесі дихання при повному окисненні молекули глюкози утворюється 38 молекул АТФ. В обох випадках ефективність запасання енергії, що виділяється, в макроергічних зв'язках АТФ приблизно однакова.

При бродінні деякі реакції на шляху анаеробного перетворення субстрату пов'язані з найбільш примітивним типом фосфорилювання - субстратним фосфорилуванням, реакції якого локалізовані в цитозолі клітини, що вказує на простоту хімічних механізмів, що лежать в основі цього виду одержання енергії.

*Спиртове бродіння. При спиртовому бродінні з піровиноградної кислоти внаслідок її окисного декарбоксилювання утворюється ацетальдегід, який стає кінцевим акцептором водню. У результаті 1 молекули гексози утворюються 2 молекули етилового спирту і 2 молекули вуглекислоти. Спиртове бродіння поширене серед прокаріотних (різні облігатно- та факультативно-анаеробні бактерії) та еукаріотних (дріжджі) форм.

Здатність здійснювати в анаеробних умовах спиртове бродіння: Sarcina ventriculi, Erwinia amylouora, Zymomonas mobilis, Основними продуцентами етилового спирту серед еукаріотів є дріжджі-аероби зі сформованим апаратом дихання, але в анаеробних умовах здійснюють спиртове бродіння по шляху суб.

*Молочно-кисле бродіння буває гомоферментативним, при якому серед продуктів утворюється до 90 % молочної кислоти, і гетероферментативним, при якому крім молочної кислоти значну частку в продуктах складають СО2, етанол та/або оцтова кислота.

а) Молочнокисле бродіння (гомоферментативне) - це процес отримання енергії молочнокислими бактеріями Lactococcus lactis, Lactobacterium bulgaricum, Lactobacterium planterum і т.д., що полягає в перетворенні молекули цукру на дві молекули молочної кислоти з виділенням енергії: C6H1200

б) Молочнокисле бродіння (гетероферментативне). У цьому процесі крім молочної кислоти серед продуктів утворюються оцтова, бурштинова кислоти, етиловий спирт, вуглекислота та водень. Збудником цього є E. coli.

Процес, подібний до нетипового гетероферментативного молочно-кислого бродіння, йде при дозріванні риби пряного посолу, пресервів. У цих випадках він збуджується ароматоутворюючими молочнокислими бактеріями типу Streptococcus citrovorus.

Крім того, при псуванні консервів, що збуджується бактеріями Вас. Stearothermophilus і Cl. thermosaccharolyticum, у продукті накопичуються кислоти – молочна, оцтова, масляна, освіта яких, ймовірно, пов'язана з процесом, подібним до нетипового молочно-кислого бродіння.

*Маслянокисле бродіння викликається облігатно анаеробними маслянокислими бактеріями Cl. pasteurianum. Глюкоза в цьому енергодавальному процесі перетворюється на масляну кислоту, водень і вуглекислий газ: C6H12О6 = С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2 + 0,063х106 Дж

Деякі клостридії, наприклад, Cl. sporogenes або токсичні види Cl. botulinum, Cl. perfringens мають протеолітичні здібності і не лише зброджують вуглеводи, а й гідролізують білки. Збудники маслянокислого бродіння утворюють термостійкі суперечки, тому вони можуть зберігатися в стерилізованих консервах і викликати їх бомбардування.

Відомо багато інших бродіння, окремі типи яких різняться складом кінцевих продуктів, що залежить від комплексу ферментів збудника бродіння.

Навіч переконатися, що Ілля Кокотовський готує неординарні речі могли ті, хто прийшов на нашу першу зустріч проекту Modern Mondays.
Крім цього, його меню для Molto Buono - чудовий приклад того, як можна створювати цікаві страви, не використовуючи ні модних вітчизняних спеціалістів, ні західних делікатесів (які все одно через санкції не купиш)
Ми із задоволенням публікуємо його статтю про ферментацію продуктів і результати досліджень, ще раз підкреслюючи тезу про те, що хороший шеф повинен мати не тільки практичні знання, а й мати широку теоретичну базу.

Ферментація...
Ця тема настільки велика, що описати все в одній статті неможливо.
Так що це скоріше невелика доповідь, знайомство з можливостями, аніж докладний посібник до дії.

Спершу парочка сухих визначень. Без них, на жаль, аж ніяк.

Бродіння -це процес анаеробного (що проходить у безкисневому середовищі) розщеплення органічних речовин, що відбувається під впливом мікроорганізмів або виділених ферментів.

Ферментація -це біохімічна переробка сировини під впливом своїх ферментів субстрату.

Обидва процеси протікають у безкисневому середовищі і є метаболічними процесами.

Є одна істотна відмінність- при бродінні можуть використовуватися сторонні культури та штами бактерій. Як правило - дріжджі та ферменти, отримані в результаті реакції. Тоді як за ферментації використовуються природні дріжджі та інші культури субстрату, які у ньому самому.

Отже, ферментація- це вужче поняття.

Чим ми завдячуємо бродінню?

Спиртове бродіння-штам - дріжджі
процес- глюкоза розщеплюється до етанолу та вуглекислого газу.
продукт- хліб та його похідні, всі похідні пива,
виноробство.

Молочнокисле бродіння-штам- Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus.
процес-перетворення лактози в молочну кислоту
продукт- всі похідні кисломолочних продуктів.
див. Фото 1

Оцтове бродіння-штам-Acelobacter, близько 10 основних різновидів.
Процес-розпад глюкози на етанол, вуглекислий газ.
Окислення етанолу до оцтової кислоти.
Продукт- всі похідні оцтів, симбіотична культура-
чайний гриб.

Маслянокисле бродіння-штам- Clostridium.
Процес-результатом діяльності бактерій є
прогоркання жирів
Бактерії роду Клостридій виробляють найбільш сильні з відомих отрут - ботулотоксин
один із видів бактерії є збудником ботулізму.
див. Фото 2

Продукти ферментації різні, деякі з них міцно зайняли своє місце на кухнях світу, ставши основою для багатьох рецептів, інші є небезпечними токсинами.
Саме тому будь-який продукт, що пройшов ферментацію обов'язково підлягає аналізу в лабораторіях.
Нерідко просунуті ресторани мають штатного мікробіолога контролю вихідного продукту.

Є й інший шлях.
Ми можемо змінювати продукт - його смак, колір, аромат, не вдаючись за допомогою штамів бактерій.

Ферментативне окисненняце процес, що протікає під впливом кисню. По відношенню до фруктів - це окислення залізовмісних сполук, а також меланіну, що утворюється при ферментативному окисненні тирозину та пірокатехіну.

Ми спостерігаємо ферментативне окислення, коли бачимо потемніння зрізу яблука, айви, банана, картоплі та багатьох інших продуктів більшою чи меншою мірою.
Для цього потрібна лише присутність кисню, час та температура.

Ось деякі з моїх досліджень:

Часник - ферментативне окиснення
див. Фото 3

У процесі часник повністю змінив структуру, поміняв колір, аромат більш тонкий, позбавлений різких нот. Для ферментації я використав тепле середовище з можливістю доступу до повітря. Присутність кисню, як ви вже зрозуміли основну вимогу.
Для самого часнику є кілька шляхів ферментації.
1. це тривала ферментація у гарячому контрольованому середовищі. Для цього підходить гарячий бокс для зберігання сухих продуктів. Температура близько 30 р. ц. час – 6 тижнів. Такий спосіб тривалий і результат який завжди однаковий. Дуже важливим є збереження вологості навколо часнику, тому ферментація проходить в індивідуальному боксі з доступів повітря.
2. Ферментація за допомогою корейської ферментаційної машини. Її можна замовити через інтернет. Але результат вартий того. Час ферментації скорочується до трьох днів. Температура вища, але на кінцевому результаті це не відбивається.

Міні банан- ферментативне окиснення.
див. Фото 4

Окислення банана дуже варіативно, необхідно тільки дотримуватися заданої температури. Чим більше часу проходить ферментація, тим більш однорідним і сухим він стає. Колір змінюється від теракотового до чорного. Змінюється аромат до тоншого.

Цей вид ферментації безпечніший і має великий потенціал. Безліч експериментів та нових компонентів, вас обмежує тільки ваше власне терпіння, адже процес, як правило, довгий. Крім того, це вірний спосіб досягти горезвісного умами.

З терпінням туго, мене завжди так і підмиває побачити результат, що стосується бананів, нерідко кінця ферментації вони взагалі не чекають,)

Наступний на черзі:
Симбіотична структура "чайний гриб". явище просто унікальне. І це самий наочний представник симбіозу Acelobacter і дріжджів.
Він заслуговує на окрему тему, тому до наступної доповіді.

Ферментація - це процес біохімічного, дуже часто безкисневого розкладання органічних сполук, що проходить за участю ензимів (ферментів). Кінцеві продукти цього процесу — простіші органічні та неорганічні сполуки, а також енергія. Ферментація - процес, що нагадує дихання; на ній, наприклад, заснований метаболізм бактерій, вона є основним засобом отримання необхідної для життя енергії у пристосованих до проживання за відсутності кисню бактерій та різних грибків. Бродіння - це різновид ферментації, за якої ферменти виробляються виключно мікроорганізмами.

Різновиди бродіння.
Мікроорганізми можуть викликати бродіння багатьох різних сполук, у тому числі цукрів, жирних кислот та амінокислот, причому у кожному випадку процес йде трохи інакше. Найчастіше зустрічається ферментація цукрів. В результаті бродіння утворюються різні продукти - наприклад, спирти або молочна кислота - тому виділяють, зокрема, бродіння спиртне, оцтовокисле, маслянокисле та молочнокисле.

Як це відбувається?
В результаті бродіння цукрів прості (глюкоза, фруктоза) або складні (мальтоза, цукроза, лактоза) цукру розкладаються до етилового спирту та окису вуглецю. Процес відбувається за участю дріжджів, точніше зимази (групи ферментів, що виділяються дріжджами). Крім спиртового бродіннядуже поширене бродіння молочнокисле, в результаті якого утворюється молочна кислота. При оцтовокислому бродінні, своєю чергою, спирти окислюються до оцтової кислоти, проте у ньому беруть участь не дріжджові грибки, а особливі бактерії (родини Acetobacter). У процесі бродіння утворюються інші продукти, проте завжди виділяється енергія.

Використання ферментації та бродіння.
Явище ферментації широко використовують у харчовій, винній, пивоварній та спиртовій промисловості. Винне бродіння - тобто ферментація цукрів, що містяться у винограді та інших фруктах - застосовується для вина. Ферментаційні властивості дріжджів знайшли застосування в пекарській справі, так як двоокис вуглецю (вуглекислий газ), що виробляється ними, змушує тісто «підходити». Оцтове бродіння використовується у виробництві оцту. У природі поширене зброджування білків, що сприяє розкладанню органічних залишків; маслянокисле бродіння у промисловості використовують із виробництва масляної кислоти. Молочнокисле бродіння застосовується, наприклад, для молочнокислих продуктів і квашення овочів. Крім того, молочну кислоту використовують у шкіряному та фарбувальному виробництві.

Чи знаєте ви, що:

1. Завдяки молочнокислому бродінню у нас є кефір.
2. Біологи вважають бродіння найдавнішим видом метаболізму (обміну речовин). Ймовірно, перші організми отримували енергію за допомогою саме цього процесу, адже на той час у земній атмосфері не було кисню.
3. Солоні огірки - також продукт ферментаційних процесів.
4. При роботі м'язів у них також проходить процес ферментації – розкладання глюкози з виділенням енергії, на проміжному етапі якого утворюється молочна кислота. У разі нестачі кисню молочна кислота не розкладається, а накопичується у м'язах, дратуючи нервові закінчення та викликаючи у людини почуття втоми.
5. Явище спиртового бродіння використовують у харчовій промисловості. З винограду (або інших ягід і фруктів) виробляють вина.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО КУЛЬТИВУВАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ

У загальному сенсі, ферментація - це біохімічна переробка сировини під впливом ферментів, що містяться в ньому самому та в сапротрофах (чайного листа, листя тютюну), а також викликана мікроорганізмами. Однак у нашому випадку ми розглядаємо виключно мікробну ферментацію(або мікробне бродіння).

У цій найстарішій з усіх методик, що застосовуються в біотехнології, для бажаних продуктів використовуються живі клітини або молекулярні компоненти їх «виробничого обладнання». Як живі клітини, як правило, використовуються одноклітинні мікроорганізми, такі як дріжджі або бактерії; з молекулярних компонентів найчастіше знаходять застосування різні ферменти – білки, що каталізують біохімічні реакції.

Ферментація- процес, у якому відбувається перетворення вихідної сировини на продукт з використанням біохімічної діяльності мікроорганізмів або ізольованих клітин.

Практично синонімамислова «ферментація» можна вважати такими термінами, як культивування, вирощування мікроорганізмів, біосинтез (див.)

Слід відрізняти мікробну ферментацію від біокаталіза(у якому вже отриманий раніше фермент або біомаса мікроорганізмів використовуються як каталізатори біохімічного процесу синтезу продукту з вихідної сировини та реагентів) та від біотрансформації(у цьому процесі також застосовується біокаталізатор у вигляді ферменту або біомаси мікроорганізмів, але вихідна речовина за хімічною структурою мало відрізняється від біотрансформації продукту).

Отже, різновид ферментації – мікробне бродіння – неусвідомлено використовувалося людиною протягом не однієї тисячі років для виробництва пива, вина, дріжджового хліба та консервованих продуктів – квашених овочів, солоної (насправді – ферментованої) риби тощо. Коли в середині 18 століття було відкрито роль мікроорганізмів у бродінні і люди усвідомили, що саме біохімічним процесамїхньої життєдіяльності ми зобов'язані існуванням всіх цих продуктів, застосування методів ферментації значно розширилося. В даний час ми використовуємо досить широкий спектр можливостей природних мікроорганізмів, які забезпечують виробництво необхідних для нас продуктів, таких як антибіотики, протизаплідні засоби, амінокислоти, вітаміни, промислові розчинники, барвники, пестициди та добавки, необхідні для приготування їжі.

Мікробна ферментація в комбінації з методом рекомбінантних ДНК використовується для виготовлення великої кількості продуктів біологічного походження: людського інсуліну; вакцини проти гепатиту; ферменту, що використовується для виготовлення сиру; розкладається мікроорганізмами пластмаси; ферментів, що входять до складу пральних порошків та багато іншого. Крім того, ферментери використовуються для вирощування культур різних тварин і рослинних клітин.

Ферментація– це сукупність процесів, результатом яких є культуральна рідина.

Культуральна рідина(culture broth) [Лат. cultus - обробіток, обробка] - складна багатокомпонентна система, у водній фазі якої містяться клітини-продуценти, продукти їх життєдіяльності, неспожиті компоненти живильного середовища та ін. На стадії виділення цільового продукту слід враховувати місце його локалізації: позаклітинне або внутрішньоклітинне. Іншими словами, культуральна рідина - рідке середовище, що отримується при культивуванні різних про- та еукаріотичних клітин in vitro і містить залишкові поживні речовини та продукти метаболізму цих клітин.

ЗРОСТАННЯ І РОЗМНАЖЕННЯ БАКТЕРІЙ НА РІДКОМУ ЖИВЧОМУ СЕРЕДОВИЩІ

При описі процесів ферментації ми не рідко згадуємо про "зростання" та "розмноження" мікроорганізмів. Але багато хто часто плутає значення цих слів або помилково вважають їх різними назвами того самого процесу. Це не так. Під зростанням прокаріотної клітини розуміють узгоджене збільшення кількості всіх хімічних компонентів, у тому числі вона побудована.

Зростання бактерійє результатом безлічі скоординованих біосинтетичних процесів, що знаходяться під строгим регуляторним контролем, і призводить до збільшення маси (а, отже, і розмірів) клітини. Але зростання клітини не безмежне. Після досягнення певних (критичних) розмірів клітина піддається поділу, тобто. розмножується.

Розмноження бактерійвизначається часом генерації. Це період, протягом якого здійснюється поділ клітини. Тривалість генерації залежить від виду бактерій, віку, складу живильного середовища, температури та ін.

Процес культивації мікроорганізмів- Ферментація - починається з того моменту, коли заздалегідь підготовлений посівний матеріал вводиться в реактор. Розмноження культури мікроорганізму характеризується чотирма часовими фазами: лагфаза; експонентна; стаціонарна; вимирання.

Рис.1. Фази розмноження бактеріальної клітини на рідкому живильному середовищі

1)- Лаг-фаза(Фаза спокою); тривалість - 3-4 год, відбувається адаптація бактерій до живильного середовища, починається активне зростання клітин, але активного розмноження ще немає; тим часом збільшується кількість білка, РНК. Під час лаг-фази метаболізм клітин спрямований на те, щоб синтезувати ферменти для розмноження у конкретному середовищі. Тривалість лаг-фази може бути різною для однієї і тієї ж культури та середовища, тому що на неї впливає безліч факторів. Наприклад, що у посівному матеріалі було незростаючих клітин.

2)- експоненційна фаза- це період логарифмічного розмноження, коли відбувається розподіл клітин із експоненційним зростанням чисельності популяції; розмноження переважає загибель. Цей період обмежений у часі кількістю живильного середовища. Поживні речовини закінчуються або зростання клітин сповільнюється через виділення токсичного метаболіту.

Рис. 2. Процес розподілу бактеріальної клітини

3)- стаціонарна фаза.Зростання припиняється і настає так звана стаціонарна фаза. Бактерії досягають максимальної концентрації, тобто. максимальної кількості життєздатних особин у популяції; кількість загиблих бактерій дорівнює кількості які утворюються; подальшого збільшення числа особин немає; Метаболізм продовжується і може початися виділення вторинних метаболітів. У багатьох випадках метою є отримання біомаси, а саме вторинних метаболітів, так як вони можуть використовуватися для отримання цінних продуктів і препаратів. У цих випадках ферментація цілеспрямовано утримується у стаціонарній фазі.

4)- Фаза відмирання.Якщо продовжувати ферментацію далі, клітини поступово втрачатимуть активність, тобто. вимирати. Це фаза прискореної загибелі; процеси загибелі переважають над процесом розмноження, оскільки виснажуються поживні субстрати серед. Накопичуються токсичні продукти, продукти метаболізму. Цієї фази можна уникнути, якщо використовувати метод проточного культивування: з живильного середовища постійно видаляються продукти метаболізму та заповнюються поживні речовини.

ПРО СТАДІЮ ФЕРМЕНТАЦІЇ

Стадія ферментаціїє основною стадією в біотехнологічному процесі, тому що в її ході відбувається взаємодія продуцента з субстратом та утворення цільових продуктів (біомас, ендо- та екзопродуктів). Ця стадія здійснюється в біохімічному реакторі (ферментері) і може бути організована в залежності від особливостей використовуваного продуцента та вимог до типу та якості кінцевого продукту у різний спосіб. Ферментація може відбуватися в строго асептичних умовах і без дотримання правил стерильності (так звана "незахищена" ферментація).

Ферментація в рідкому та твердофазному середовищі

Культивування на рідких середовищахможна розділити на поверхневу та глибинну ферментацію. Поверхнева протікає у кюветах із середовищем. Кювети розміщують у вентильовані повітрям камери. Внаслідок процесу на поверхні середовища утворюється біомаса у вигляді плівки або твердого шару.

Глибинна ферментація відбувається у всьому обсязі рідкого середовища. Цей вид ферментації здійснюється як періодичним, і безперервним методами.

Твердофазна ферментація, У жорсткій, сипучій чи пастоподібної середовищі вологістю від 30 до 80 % здійснюється трьома методами (рис. 3):

• субстрат при поверхневих процесах розташовують на тацях тонким шаром (3...7 мм);
• глибинну твердофазну ферментацію проводять у глибоких відкритих судинах, субстрат у своїй не перемішують;
• твердофазна ферментація проводиться перемішуванням в масі, що аерується, субстрату.

Ферментація (культивування) може протікати як в аеробних, так і в анаеробних умовах:

Аеробне культивуваннязастосовують у тих випадках, коли в процесі задіяні аеробні мікроорганізми-продуценти. Аерацію суміші здійснюють подачею повітря або інших газів через газопідвідні трубки, форсунки і т.д.

Анаеробні процесипротікають у герметичних ємностях або за допомогою продування культивованого середовища інертними газами. Конструкція ферментера при анаеробної ферментації простіша, ніж при аеробній.

Для кожного виду процесу ферментації розроблено різні конструкції ферментерів (рис. 2).

КЛАСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСІВ ФЕРМЕНТАЦІЇ

Рис. 3. Класифікація процесів ферментації

За ознакою цільового продуктуПроцес ферментації може бути наступних типів:

1. Ферментація, у якій цільовим продуктом є біомаса мікроорганізмів; саме такі процеси часто позначають словами "культивування", "вирощування";
2. Цільовим продуктом є не сама біомаса, а продукти метаболізму – позаклітинні чи внутрішньоклітинні; такі процеси часто називають процесами біосинтезу;
3. Завданням ферментації є утилізація певних компонент вихідного середовища; до таких процесів відносяться біоокислення, метанове бродіння, біокомпостування та біодеградація.

Вихідне середовище у процесах ферментації або його основний компонент часто позначають словом субстрат .

За основноюфазі, В якій протікає процес ферментації, розрізняються:

1. Поверхнева (переважно. твердофазна) ферментація (культивування на агарових середовищах, на зерні, виробництво сиру та ковбас, біокомпостування та ін.);
2. Глибинна (переважно. рідкофазна) ферментація, де біомаса мікроорганізмів суспендована в рідкому живильному середовищі, через яку при необхідності продувається повітря або інші гази;

По відношенню до кисню -розрізняють аеробну, анаеробну та факультативно-анаеробну ферментацію за аналогією з склассифікацією самих мікроорганізмів.

По відношенню до світла- світлова (фототрофна) та темнова (хемотрофна) ферментація.

За рівнем захищеностівід сторонньої мікрофлори - асептична, умовно асептична та неасептична ферментація. Іноді асептичну ферментацію називають стерильною, що не так: у середовищі є цільові мікроорганізми, але немає чужорідних.

Умовно асептичної ферментації допускається певний рівень попадання сторонньої мікрофлори, яка здатна співіснувати з основною або за змістом не перевищує певної межі.

За кількістю видів мікроорганізмів -розрізняють ферментації на основі монокультури (або чистої культури) та змішане культивування, в якому здійснюється спільний розвиток асоціації двох або більше культур.

ПРОЦЕСИ ФЕРМЕНТАЦІЇ З СПОСІБ ОРГАНІЗАЦІЇ:

• періодичні;
• безперервні;
• об'ємно-доливні;
• періодичні з підживленням субстрату;

Всі ці види ферментації (за способом їх організації) легко ідентифікувати за способом завантаження сировини і вивантаження продукту.

У періодичних процесах завантаження сировини та посівного матеріалу в апарат проводиться одноразово, потім в апараті протягом певного часу йде процес, а після його завершення отримана ферментаційна рідина вивантажується з апарату.

У безперервних процесах завантаження та вивантаження середовища протікають безперервно та одночасно, причому швидкість подачі в апарат свіжого живильного середовища дорівнює швидкості відбору з апарату ферментаційної рідини. У результаті обсяг середовища в апараті зберігається незмінним протягом тривалого часу (рис. 4.2), теоретично - нескінченно, а фактично - до якоїсь неполадки.

В об'ємно-доливних процесах ферментація в проміжках між завантаженням і розвантаженням апарату протікає як періодична, але після деякого часу, що визначається за станом процесу, частину ферментативного середовища вивантажують і замінюю свіжим середовищем.

У періодичному процесі з підживленням субстрату частина середовища завантажується на початку ферментації, а інша частина додається безперервно у міру протікання процесу (рис. 4.5). Природним завершенням процесу є переповнення апарату, тому необхідно переходити на періодично з максимальним обсягом середовища і швидко завершувати його.

БІОРЕАКТОРИ (ФЕРМЕНТЕРИ)

Рис. 4. Класифікація ферментерів

Для глибинного культивування бактерійу промислових та лабораторних умовах застосовують біореактори або ферментери. Ферментер (біореактор) - це прилад, що здійснює перемішування культурального середовища в процесі мікробіологічного синтезу, являє собою герметичний котел, в який заливається рідке живильне середовище. Ферментери забезпечені автоматичними пристосуваннями, що дозволяють підтримувати постійну температуру, оптимальну рН та редокс-потенціал, дозоване надходження необхідних поживних речовин.

Застосовується в біотехнологічній промисловості при виробництві лікарських та ветеринарних препаратів, вакцин, продуктів харчової промисловості (ферменти, харчові добавки, глюкозні сиропи), а також при біоконверсії крохмалю та виробництві полісахаридів та нафтодеструкторів.

Розрізняють механічні, аерліфтні та газо-вихрові біореактори, а також аеробні (з подачею повітря або газових сумішей з киснем), анаеробні (без подачі кисню) та комбіновані – аеробно-анаеробні.

ЗАГАЛЬНА СХЕМА МІКРОБІОЛОГІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА

Рис. 5. Схема традиційного ферментера

Звичайний ферментер є закритий циліндр, в якому механічно перемішуються середовище разом з мікроорганізмами. Через нього прокачують повітря, іноді насичене киснем. Температура регулюється за допомогою води або пари, що пропускаються трубками теплообмінника. Конструкція ферментера повинна дозволяти регулювати умови зростання: постійну температуру, pH (кислотність або лужність) та концентрацію розчиненого у середовищі кисню.

1. Підготовка живильного середовища

Поживне середовище є джерелом органічного вуглецю - основного будівельного елемента життя. Мікроорганізми поглинають широкий спектр органічних сполук - від метану (CH 4), метанолу (CH 3 OH) і вуглекислоти (СО 2) до природних біополімерів. Крім вуглецю клітини потребують азоту, фосфору та інших елементів (K, Mg, Zn, Fe, Cu, Mo, Mn та ін.) Важливий елемент підготовки поживних середовищ - стерилізаціяз метою знищення всіх сторонніх мікроорганізмів. Її проводять термічним, радіаційним, фільтраційним чи хімічним методами.

2. Отримання чистих штамів для внесення ферментер.

Перш ніж розпочати процес ферментації, необхідно отримати чисту високопродуктивну культуру. Чисту культуру мікроорганізмів зберігають у дуже невеликих обсягах та в умовах, що забезпечують її життєздатність та продуктивність (зазвичай це досягається зберіганням за низької температури). Необхідно постійно підтримувати чистоту культури, не допускаючи її зараження сторонніми мікроорганізмами.

3. Ферментація – основний етап біотехнологічного процесу.

Ферментація - це вся сукупність операцій від внесення мікробів у підготовлене та нагріте до необхідної температури середовище до завершення біосинтезу цільового продуктуабо зростання клітин. Весь процес протікає у спеціальній установці – ферментері.

Після закінчення ферментації утворюється суміш робочих мікроорганізмів, розчину неспоживаних поживних компонентів та продуктів біосинтезу. Її називають культуральною рідиноюабо бульйоном.

4. Виділення та очищення кінцевого продукту.

Після завершення ферментації продукт, який бажали отримати, очищають від інших складових бульйону. Для цього використовують різні технологічні прийоми: фільтрацію, сепарування (осадження частинок суспензії під дією відцентрової сили), хімічне осадження та ін.

5. Отримання товарних форм товару.

Останньою стадією біотехнологічного циклу є отримання товарних форм продукту. Вони є або суміш, або очищений продукт (особливо якщо він призначений для використання в медичних цілях).

На замітку:

ФАКТИ ПРО РОЗМНАЖЕННЯ БАКТЕРІЙ

За сприятливих умов розмноження мікроорганізмів відбувається дуже швидко. Вважають, що бактерія поділяється навпіл через кожні 20-30 хв. За підрахунком ботаніка Кона, за безперешкодного розмноження протягом п'яти діб потомство однієї бактерії середньої величини (2 мк довжини і 1 мк ширини) зайняло б обсяг, рівний обсягу всіх морів і океанів. Але розмноження бактерій обмежено низкою факторів і таких фантастичних розмірів не досягає.

Надзвичайно малі розміри бактерій та швидкість їх розмноження мають велике значення для розуміння умов взаємодії між мікробами та навколишнім середовищем. Об'єм води в 0,001 мл здатний вмістити до 109 бактерій. При внесенні такої кількості бактерій в 1 мл води у разі рівномірного розподілу їх по всьому об'єму на 1 л води доведеться 10 6 бактерій або 1000 бактерій на 1 мл води. Ось чому, наприклад, мізерна (!) кількість зараженої хвороботворними бактеріями речовини є достатньою для поширення інфекційних захворювань, що передаються через воду.

Автор книги – «рок-зірка Американської кулінарної сцени» – на думку New York Times, самоучка, антиглобаліст, дауншифтер та відкритий гей – Сандор Елікс Катц. Ця книга, як ви вже напевно здогадалися, випадає з низки ошатних кулінарних «книг для кавового столика» (так в англосаксонському світі прийнято називати важкі та барвисті томи, призначення яких – лежати на столику у вітальні та більше бути елементом декору, ніж джерелом знань) .

Фотографії в цій книзі варті окремої згадки: дивлячись на них складається враження, що вони вийшли випадково. Але книга ця справді сповнена унікальної інформації: як ферментують кассаву, печуть національні ефіопські коржики з борошна тефф, роблять у Росії квас (так, навіть це!) і ще багато всього. Теоретична частина містить дані з галузі антропології, історії, медицини, нутріціології та мікробіології. До книги входить велика кількість рецептів: вони розділені на кілька тематичних частин (приготування ферментованих овочів, хліба, вина, молочних продуктів).

Наводимо тут дуже вільний переклад глави, присвяченої корисним властивостям ферментації.

Численні корисні властивостіферментованих продуктів

Ферментовані продукти мають у прямому сенсі живий аромат і містять живі поживні речовини. Смак у них, як правило, яскраво виражений. Згадайте пахучі зрілі сири, кислу квашену капусту, густу терпку пасту місо, насичені благородні вина. Звичайно, можна сказати, що смак деяких ферментованих продуктів – на любителя. Однак люди завжди гідно цінували унікальні смакові відтінки і аромати, що пробуджують апетит, які продукти набувають завдяки роботі бактерій і грибів.

З практичної точки зору основною перевагою ферментованих продуктів є те, що вони зберігаються довше. Мікроорганізми, що беруть участь у процесі ферментації, виробляють алкоголь, молочну та оцтову кислоти. Всі ці «біоконсерванти» дозволяють зберегти поживні речовини та придушити зростання патогенних бактерій і таким чином запобігти псуванню продуктових запасів.

Овочі, фрукти, молоко, риба та м'ясо псуються швидко. І коли вдавалося отримати їх надлишки, наші предки використовували всі доступні засоби, що дозволяють якомога довше зберегти запаси їжі. Протягом усієї історії людства ферментацію цього використовували повсюдно: від тропіків до Арктики.

Капітан Джеймс Кук був відомим англійським дослідником XVIII століття. Завдяки його активній діяльності кордони Британської Імперії значно розширилися. Крім того, Кук отримав визнання Лондонського королівського товариства - провідного наукового товариства Великобританії - за те, що вилікував членів своєї команди від цинги (хвороби, що викликається гострим недоліком вітаміну С).Перемогти хворобу Кук зміг завдяки тому, що під час експедицій брав на борт великий запас кислої капусти.(яка містить значну кількість вітаміну С).

Завдяки своєму відкриття Кук зміг відкрити багато нових земель, які потім опинилися під владою Британської корони і зміцнили її могутність, у тому числі й Гавайські острови, де він і був згодом убитий.

Корінні мешканці островів, полінезійці, перетнули Тихий океан і оселилися на Гавайських островах більш ніж за 1000 років до візиту капітана Кука. Цікавим є і той факт, що пережити тривалі подорожі, як і команді Кука, їм допомогли ферментовані продукти! В даному випадку – «пої», каша із щільного крохмалистого кореня таро, яка досі популярна на Гаваях та у південній частині тихоокеанського регіону.

Ферментація дозволяє не тільки зберегти корисні властивості поживних речовин, але й допомогти організму їх засвоїти. Багато поживні речовини є складними хімічними сполуками, але в процесі ферментації складні молекули розщеплюються на простіші елементи.

Як приклад такої трансформації властивостей при ферментації мають соєві боби. Це унікальний, багатий на білок продукт. Однак без ферментації соя практично не перетравлюється людським організмом (деякі навіть стверджують, що вона токсична). У процесі ферментації складні молекули білка соєвих бобів розщеплюється, і у результаті утворюються амінокислоти, які організм здатний засвоїти. Одночасно з цим розщеплюються та нейтралізуються рослинні токсини, які містяться у соєвих бобах. В результаті ми отримуємо традиційні ферментовані соєві продукти, такі яксоєвий соус, паста місо та темп.

У наші дні багато людей важко засвоюють молоко. Причиною є непереносимість лактози – молочного цукру. Молочнокислі бактерії кисломолочних продуктів перетворюють лактозу на молочну кислоту, яка засвоюється вже набагато легше.

Те ж саме відбувається і з глютеном, білком злакових рослин. У процесі бактеріальної ферментації за допомогою заквасок (на відміну від дріжджового бродіння, яке зараз найчастіше використовується у хлібопеченні) молекули глютену розщеплюються, аферментований глютен засвоюється легше, ніж той, що не пройшов ферментацію.

На думку експертів Продовольчої та Сільськогосподарської Організації ООН (United Nations Food and Agriculture Organization) ферментовані продукти є джерелом життєво важливих поживних елементів. Організація веде активну роботу з підвищення популярності ферментованих продуктів у всьому світі. За даними Організації ферментаціяпідвищує біодоступність (тобто здатність організму засвоювати ту чи іншу речовину) мінералів, присутні у продуктах.

Білл Моллісон (Bill Mollison), автор книги "Ферменти та харчування людини" (The Permaculture Book of Ferment and Human Nutrition), називає ферментацію "формою попереднього травлення". «Попереднє травлення» також дозволяє розщепити та нейтралізувати певні токсичні речовини, що містяться у продуктах. Як приклад, ми вже наводили соєві боби.

Ще однією ілюстрацією процесу нейтралізації токсинів єферментація касави(також відома під назвами юкка або маніока). Це коренеплід родом із Південної Америки, який пізніше став одним із основних продуктів харчування в екваторіальній Африці та Азії.

Кассава може містити високу концентрацію ціаніду. Рівень вмісту цієї речовини сильно залежить від виду ґрунту, на який росте коренеплід. Якщо не нейтралізувати ціанід, то кассаву не можна вживати в їжу: вона просто отруйна. Для видалення токсину часто використовують звичайне замочування: для цього очищені і порізані бульби поміщають у воду приблизно на 5 днів. Це дозволяє розщепити ціанід і зробити кассаву не тільки безпечною для вживання, але й зберегти корисні речовини, що містяться в ній.

Паста соєва місо ферментована різних видів з добавками:

Але не всі, що містяться в продуктах, токсини такі небезпечні, як ціанід. Наприклад, злакові, бобові культури (а також горіхи - прим. ред.) містять з'єднання, яке називаєтьсяфітинова кислота. Ця кислота маєздатністю пов'язувати цинк, кальцій, залізо, магній та інші мінерали. В результаті ці мінерали не будуть засвоєні організмом. Ферментація злаків за допомогою попереднього замочування дозволяє розщепити фітинову кислоту і завдяки цьому підвищується поживна цінність злакових, бобових та горіхів.

Існує й інші потенційно токсичні речовини, дію яких можна послабити або нейтралізувати ферментацією. Серед них – нітрити, синильна кислота, щавлева кислота, нітрозаміни, лектини та глюкозиди

Ферментація не тільки дозволяє розщепити «рослинні» токсини, результатом цього є й нові поживні речовини.
Так, у процесі свого життєвого циклу,бактерії заквасок виробляють вітаміни групи В, включаючи фолієву кислоту (В9), рибофлавін (В2), ніацин (В3), тіамін (В1) та біотин (В7, Н). Також ферментам часто приписують вироблення вітаміну В12, який відсутній у продуктах рослинного походження. Однак не всі згодні з цією точкою зору. Існує версія, що речовина, яка міститься в ферментованій сої та овочах насправді тільки схожа за деякими ознаками на вітамін В12, проте вона не має її активних властивостей. Цю речовину називають "псевдовітамін" В12.

Деякі ферменти, що виникають у процесі ферментації,діють як антиоксиданти, тобто видаляють із клітин організму людини вільні радикали., які вважаються попередниками ракових клітин

Молочнокислі бактерії допомагають виробляти жирні кислоти Oмега-3, які життєво важливі для нормальної роботи клітинної мембрани клітин людського організму та імунної системи.

У процесі ферментації овочів виробляються ізотіоціанати та індол-3-карбінол. Вважається, що обидві ці речовини мають протионкологічнимивластивостями.

Продавці «натуральних харчових добавок» часто "пишаються" тим, що "у процесі їх культивації виробляється велика кількість корисних натуральних речовин". Таких як, наприклад, супероксид-дисмутаза, або GTF-хром (різновид хрому, який легше засвоюється організмом людини і сприяє підтримці нормальної концентрації глюкози в крові), або детоксикуючі сполуки: глутатіон, фосфоліпіди, травні ензими та бета 1,3 глюки. Чесно кажучи, я просто (слова автора книги) втрачаю інтерес до розмови, коли чую такі псевдонаукові факти. Зрозуміти, наскільки корисний продукт, можна і без молекулярного аналізу.

Довіряйте своїм інстинктам та смаковим рецепторам. Прислухайтеся до свого організму: як ви почуваєтеся після вживання того чи іншого продукту. Поцікавтеся, що говорить наука з цього приводу. Результати досліджень підтверджують: ферментація підвищує поживну цінність продуктів.

Мабуть,Найбільша користь ферментованих продуктів полягає саме в самих бактеріях, які здійснюють процес ферментації. Їх також називають пробіотиками. Багато ферментованих продуктів містять компактні колонії мікроорганізмів: такі колонії включають безліч видів найрізноманітніших бактерій. Тільки зараз вчені починають розуміти, як колонії бактерій впливають на роботу нашої кишкової мікрофлори.Взаємодія мікроорганізмів, що містяться в ферментованих продуктах, з бактеріями нашої травної системи може покращити роботу травної та імунної систем, психологічні аспекти здоров'я та загальне самопочуття

Проте чи все ферментовані продукти залишаються «живими» на той час, коли потрапляють до нас стіл. Деякі з них, через свою природу, не можуть містити живі бактерії. Хліб, наприклад, потрібно випікати при високій температурі і він не може бути джерелом прибіотиків (аспекти користі хліба інші, у цій статті ми їх не розглядаємо). І це призводить до загибелі всіх живих організмів, що містяться в ньому.

Ферментовані продукти не вимагають подібного способу приготування, їх рекомендується вживати, коли вони містять живі бактерії, тобто без термообробки (у нашій російській дійсності - квашена капуста, огірки: мочена брусниця, яблука, сливи; різні види живого квасу; напій чайного гриба; непастеризовані живі виноградні вина; молочні непастеризовані кисломолочні продукти короткого терміну зберігання такі як: кефір, ряженка, ацидофілін, тан, мацони, кумис; фермерські сири та ін., прим. ред.). І саме у такому вигляді ферментовані продукти найкорисніші.

Квашена капуста, мочені яблука:

Уважно читайте етикетки продуктів. Пам'ятайте, багато ферментованих продуктів, які продаються в магазинах, піддаються пастеризації або іншій термічній обробці. Це дає змогу продовжити термін придатності, але вбиває мікроорганізми. На етикетці ферментованих продуктів часто можна побачити фразу "містить живі культури". Цей напис свідчить про те, що в кінцевому продукті все ще живі бактерії.

На жаль, ми живемо в той час, коли в магазинах здебільшого продаються напівфабрикати, розраховані на масового споживача, і живі бактерії в таких продуктах важко знайти. Якщо ви хочете бачити на своєму столі дійсно «живі» ферментовані продукти, вам доведеться добре їх пошукати або приготувати самостійно.

«Живі» фементовані продукти корисні здоров'ю травної системи. Тому вони ефективні для лікування діареї та дизентерії. Продукти, що містять живі бактерії, допомагають боротися з дитячою смертністю у дитячому віці.

У Танзанії було проведено дослідження, під час якого вивчався рівень дитячої смертності. Вчені спостерігали за немовлятами, яких годували різними сумішами після відлучення від грудей. Одних дітей годували кашею з ферментованих злаків, інших – із звичайних.

У немовлят, яких годували ферментованою кашею, було відзначено вдвічі менше випадків діареї порівняно з тими, хто їв кашу, що не пройшла ферментацію. Причина в тому, що молочнокисле бродіння пригнічує ріст бактерії, що викликає діарею.

Згідно з результатами іншого дослідження, опублікованого в журналі «Нутрішн» ( Nutrition),багата мікрофлора кишечника дозволяє запобігти розвитку хвороб травного тракту. Молочнокислі бактерії "борються з потенційними патогенами за приєднання до рецепторів клітин слизової оболонки кишечника". Таким чином, лікувати хвороби можна за допомогою «екоімуноживлення».

Саме слово, звичайно, не так просто вимовити. Але мені все одно подобається термін «екоімуноживлення». Він має на увазі, що імунна система та бактеріальна мікрофлора організму функціонують як єдине ціле.

Бактеріальна екосистема складається із колоній різних мікроорганізмів. І таку систему можна створити та підтримувати за допомогою певного раціону харчування. Вживання продуктів із високим вмістом живих бактерій - один із способів побудови бактеріальної екосистеми в організмі.

Чайний гриб:

Згадана книга була удостоєна кількох нагород. Крім неї у бібліографії Катца:

The Big Book of Kombucha («Велика Книга Комбучі»)

The Wild Wisdom of Weeds («Мудрість диких трав»)

Art Natural Cheese Making («Мистецтво натурального сироробства»)

"Революцію не приготують у мікрохвильовій печі: внутрішній погляд на підпільні гастро-течі сучасної Америки").

Посилання на книгу в Амазоні: https://www.amazon.com/gp/product/B01KYI04CG/ref=kinw_myk_ro_title

________________________________________ _________

Ферментований продукт харчування темпі - корисні властивості та застосування

Темпі (англ. Tempeh) - ферментований продукт харчування, що готується із соєвих бобів.

Приготування

Темпе популярний в Індонезії та інших країнах південно-східної Азії. Процес приготування в темпі схожий з процесом ферментації сирів. Темпе виготовляється з цілих соєвих бобів. Соєві боби розм'якшуються, потім розкриваються чи очищаються від лушпиння і варяться, але не готовності. Потім додається окислювач (зазвичай оцет) та закваска, що містить корисні бактерії. Під дією цих бактерій виходить ферментований продукт, що має складний запах, який порівнюють з горіховим, м'ясним або грибним, а за смаком нагадує курча.

При низькій температурі або підвищеній вентиляції на темпі іноді з'являються суперечки у вигляді нешкідливих сірих або чорних плям. Це нормальне явище, що не впливає на смак та запах продукту. Готовий якісний темп має легкий запах аміаку, проте цей запах не повинен бути дуже сильним.

Зазвичай темпі випускається в брикетах товщиною близько 1,5 см. Темпі відноситься до категорії швидкопсувних продуктів і не підлягає тривалому зберіганню, тому його складно зустріти за межами Азії.

Кориснівластивості та застосування

В Індонезії та Шрі-Ланці темпі використовують як основний продукт харчування. Темпе багатий на білок. Завдяки ферментації у процесі виготовлення білок з темпу легше перетравлюється та засвоюється організмом. Темпе - хороше джерело харчової клітковини, оскільки містить велику кількість харчових волокон, на відміну тофу, в якому волокна відсутні.

Найчастіше розрізаний на шматочки темпі обсмажують на олії з додаванням інших продуктів, соусів та спецій. Іноді темп попередньо замочується в маринаді або солоному соусі. Він легко готується: на приготування йде лише кілька хвилин. М'ясоподібна структура дозволяє використовувати темп замість м'яса в гамбургерах або замість курчати в салаті.

Готовий темп подається з гарніром, у супах, у тушкованих або смажених стравах, а також як самостійне блюдо. Через низьку калорійність темпі використовують як дієтичну та вегетаріанську страву.

склад

Темпі містить низку корисних мікроорганізмів, типових для ферментованих продуктів, які пригнічують хвороботворні бактерії. Більше того, у ньому містяться фітати, які вступають у зв'язок із радіоактивними елементами та виводять їх з організму. Темпі, як і всі соєві продукти, дуже багатий на білок і харчову клітковину. У грибковій культурі, що використовується в процесі виробництва темпі, містяться бактерії, що виробляють вітамін B12, який пригнічує поглинання радіоактивного кобальту.

Цікавий факт

Темпі, як і інші вироби із сої, погано поєднуються з усіма білковими продуктами тваринного походження та тваринними жирами, але добре поєднуються з рибою та морепродуктами. Не варто їсти соєві продукти та разом з іншими бобовими.

Калорійність темпі

Калорійність темпі - від 90 до 150ккал 100 г продукту в залежності від способу приготування.