Биотехнологическая трансформация овощного сырья в процессе направленного ферментирования молочнокислыми микроорганизмами

Актуальность

Втехнологии хранения и переработки и технической литературе широко применяют такие термины, как соленые, моченые и квашеные фрукты и овощи [5]. В консервной промышленности широко распространено соление огурцов, томатов, квашение капусты и свеклы, мочение арбузов и яблок. С точки зрения биохимических процессов, происходящих в процессе соления и квашения, как методами консервирования, принципиальной разницы нет, так как в том и в другом случае консервантами являются молочная кислота, вырабатываемая в процессе молочнокислого брожения [8] и хлорид натрия (поваренная соль), вносимая на начальной стадии. Именно эти процессы и вызывают биотехнологическую трансформацию овощного сырья [8].

Соль, используемая при засолке и квашении овощей, вызывает плазмолиз растительных клеток, в результате чего происходит вытекание клеточного сока, с выделением углеводов, что приводит к утрате жизнеспособности клеток, вследствие чего в них прекращаются все биохимические процессы гидролитического и окислительного характера, свойственные живым клеткам [10]. Также в данных условиях полностью прекращается или значительно подавляется жизнедеятельность большинства патогенных микроорганизмов (гнилостных микроорганизмов, дрожжей и плесеней), действие которых в обычных условиях приводит к порче овощей.

Материалы и методы

Инициаторами молочнокислого брожения являются различные виды молочнокислых микроорганизмов, среди которых главное место занимают виды В. cucumeris fermentati, В. brassicae fermentati, В. acidi lactici. По данным [3], кроме них, в квашеных овощах встречаются также В.

beyerincki, В. cuntheri v. inactiva, В. ventricocus, В. listeri, В. brassicae acidae, В. leichmanni, В. hayducki, В. opacus и некоторые другие.

Вышеперечисленные виды молочнокислых микроорганизмов различаются по интенсивности кислотооб-разования и условиям развития. Одни из них выделяют газы, другие превращают углеводы (сахарозу, глюкозу) в молочную кислоту без образования газов. Некоторые микроорганизмы вырабатывают органические вещества (сложные эфиры). В огурцах встречается длинная палочка В. Abderhaldi , которая вызывает ослизнение рассола, повышает его вязкость [4].

Овощи подвергают солению и квашению, используя в основном самопроизвольное брожение, т. е. брожение, возбудителем которого является вся эпифитная (дикая, нативная) микрофлора овощей.

Следовательно, в процессе брожения принимают участие не только молочнокислые микроорганизмы, но и ряд других – дрожжи, маслянокислые и уксуснокислые микроорганизмы, микроорганизмы группы Сoli aerogenes и другие [2].

В случае доступа кислорода воздуха на поверхности неправильно закрытых емкостей возможно развитие дрожжей и плесеней, которые в дальнейшем потребляя молочную кислоту, нейтрализуют рассол и приводят к размягчению продукта. Плесневые грибы и дрожжи на всех стадиях брожения вызывают образование нежелательного привкуса, запаха. Такое действие может быть значительно снижено за счет исключения контакта овощей с воздухом путем погружения их в собственный сок или рассол. Эффективное угнетающее воздействие на нежелательное развитие дрожжей и плесеней оказывают соли сорбиновой и бензойной кислот.

Результаты и обсуждение

Насколько разнообразна и велика обсемененность овощей эпифитной микрофлорой, можно судить по данным исследований, приведенным в таблице 1.

Обсемененность свежих огурцов молочнокислыми микроорганизмами составляет в среднем всего 3-6%, а свежей капусты – от 5 до 20% от общего числа микроорганизмов [7]. Значительное место в эпифитной микрофлоре занимают гнилостные микроорганизмы и микроорганизмы рода Coli aerogenes . Обсеменение овощей микрофлорой значительно возрастает при их хранении. Как видно из данных таблицы 1, общее число микроорганизмов на огурцах, пролежавших более суток, увеличилось в 20-60 раз и на капусте с истекшим сроком годности – в 3-4 раза.

Вследствие большого разнообразия эпифитной микрофлоры процесс самопроизвольного брожения принимает весьма сложный характер, так как при этом образуются продукты жизнедеятельности всех участвующих в брожении микроорганизмов. Если все же при солении и квашении овощей преобладает молочнокислое брожение, то это является результатом воздействия человека на его направленность, результатом избирательной способности самих микроорганизмов и изменения рН среды вследствие образования молочной кислоты.

Как описывалось выше, основой биотехнологической трансформации овощного сырья является молочнокислое брожение, которое вызывают молочнокислые микроорганизмы.

Молочнокислые микроорганизмы представляют собой группу грамполо-жительных микроорганизмов, анаэробов, не спорообразующих, кокков или палочек, которые производят молочную кислоту в качестве основного конечного продукта ферментации углеводов.

Таблица 1. Обсемененность овощей эпифитной микрофлорой Table 1. Contamination of vegetables with epiphytic microflora

Состав эпифитной микрофлоры	Содержание
	В огурцах		В капусте
	свежих	пролежавших более суток	свежей, хорошего качества	Ухудшенного, плохого качества
Общее число микроорганизмов в 1 г продукта	50-900,5 тыс.	3-20 млн.	100-500 тыс.	0,8-1,6 млн.
Молочнокислые микроорганизмы	3-25 тыс.	0,1-2,5 млн.	5-100 тыс.	8-500 тыс.
Гнилостные микроорганизмы по массе	1-8 тыс.	20-200 тыс.	1-27 тыс.	14-400 тыс.
Микроорганизмы, выделяющие сероводород	нет	6-25 клеток	до 20 бакт.	25-200 бакт.
Микроорганизмы Coli aerogenes	6-100 тыс.	25-200 тыс.	60-250 бакт.	1-25 тыс.
Маслянокислые микроорганизмы	нет	2-25 клеток	2-25 бакт.	30-100 бакт.
Уксуснокислые микроорганизмы	—	—	нет	до 20 бакт.
Дрожжи	5-25 шт.	10-50 шт.	1-3 тыс.	5-30 тыс.

Молочнокислые микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности осуществляют превращение углеводов в молочную кислоту, двуокись углерода и другие органические кислоты – без потребления кислорода. Некоторые микроорганизмы из данного семейства только производят молочную кислоту, в то время как другие производят молочную кислоту, другие летучие соединения и небольшие количества алкоголя.

Все молочнокислые микроорганизмы являются неподвижными грампо-ложительными палочками, которые используют сложные углеводные субстраты в качестве источника энергии. Молочная кислота, образующаяся в процессе жизнедеятельности данных микроорганизмов, эффективна в ингибировании роста других микроорганизмов, которые могут вызывать порчу. Несмотря на то, что вся группа микроорганизмов именуется «молочнокислые микроорганизмы», может показаться, что реакции, которые они осуществляют при ферментации овощей, однообразны и просты. Это далеко от истины. Молочнокислые микроорганизмы представляют собой разнородную группу организмов с разнообразными метаболическими мощностями. Это разнообразие делает их хорошо адаптируемыми к различным условиям и в значительной степени ответственными за успех в ферментации пищевых продуктов.

Молочнокислые микроорганизмы принадлежат к двум основным группам – гомоферментным и гетероферментным. При этом пути образования молочной кислоты отличаются друг от друга. Гомоферментные микроорганизмы производят в основном молочную кислоту через гликолитический путь. Гетероферментные производят молочную кислоту, а также значительные количества этанола, уксусной кислоты и диоксида углерода при помощи 6-фосфоглю-конатного/фосфокетолазного пути [9].

Микроорганизмы, участвующие в ферментации овощей, отличаются по своим оптимальным требованиям к рН для своей жизнедеятельности. Большинство микроорганизмов предпочитают условия, близкие к нейтральным значениям рН, но некоторые микроорганизмы являются «кислототерпимыми» и выживают при пониженных уровнях рН.

Различные микроорганизмы могут переносить различные температуры, что обеспечивает огромные возможности для диапазона ферментации. В то время как большинство микроорганизмов имеют температурный оптимум от 20 до 30°С, есть некоторые (термофилы), которые предпочитают более высокие температуры (от 50 до 55°C) и более низкие температуры (от 15 до 20°С). Однако для большинства молочнокислых микроорганизмов температурные оптимумы варьируют от 18 до 22°C [1].

Молочнокислые микроорганизмы устойчивы к высоким концентрациям хлоридов. Эта устойчивость дает им преимущество перед другими, менее терпимыми к соли видами микроорганизмов и позволяет им начать обмен веществ, при котором образуется молочная кислота, которая в свою очередь ингибирует рост нежелательных микроорганизмов.

Все микроорганизмы, участвующие в процессе ферментации, требуют источника питательных веществ для обмена веществ. Питательными веществами служат моно- и дисахариды, такие как сахароза, глюкоза и фруктоза или полисахариды, такие как крахмал или целлюлоза. Энергетические потребности микроорганизмов очень высоки, а ограничение количества необходимого доступного субстрата может существенно повлиять на их рост и на весь процесс ферментации.

Процесс биотехнологической трансформации овощного сырья, как правило, проходит с участием консорциума микроорганизмов, при этом молочнокислые микроорганизмы являются основной группой организмов, участвующих в процессе ферментации. После добавления соли в измельчённое сырьё (капуста) или добавления соленого рассола непосредственно (в случае ферментации огурцов), происходит выделение сока, который содержит сахара и другие питательные вещества, пригодные для микробной активности. Первыми микроорганизмами, которые начинают размножаться, являются газообразующие кокки (L. mesenteroides). Эти микроорганизмы вырабатывают кислоты до достижения кислотности 0,250,3% (в расчете на молочную кислоту), что приводит к замедлению роста L. mesenteroides с последующим отмиранием, хотя их ферменты продолжают функционировать. После этого в процесс ферментации вступают L. plantarum и L. сucumeris до тех пор, пока уровень кислотности не достигнет 1,5-2%. Высокая концентрация соли и низкие температуры ингибируют рост и развитие этих микроорганизмы. Наконец, продолжает брожение, в результате чего кислотность достигает уровня 2-2,5%, таким образом, завершая брожения [5,6].

Конечными продуктами нормального брожения являются молочная кислота наряду с меньшим количеством уксусной и пропионовой кислот, смесь газов, из которых углекислый газ является основным, небольшое количество спирта и смеси ароматических эфиров, определяющие, в конечном итоге, характерный вкус и аромат солено-квашеной продукции. Кислотность помогает контролировать рост гнилостных микроорганизмов и способствует длительному сроку хранения продукта. Изменения в последовательности жизнедеятельности микроорганизмов, или присутствие нежелательных микроорганизмов, изменяют вкус и качество продукта (табл. 2-3).

Для того чтобы получить ферменти-

Таблица 2. Характеристика таксономических групп гомоферментативных молочнокислых бактерий Table 2. Characteristics of taxonomical homofermentative lactic acid bacteria groups

Род и подрод бактерий	Морфология и особенности деления клеток	Молярное содержание ГЦ в ДНК, %	Конфигурация молочной кислоты	Наиболее распространенные виды
Род Streptococcus	сферические или овальные клетки; делятся в одной плоскости, в результате образуются пары или цепочки клеток	33-44	D	S. faecalis S. lactis
Род Pediococcus	кокки; делятся в двух плоскостях, в результате образуются тетрады клеток	33-44	DL	P. cerevisiae
Род Lactobacillus Подрод Thermobacterium Подрод Streptobacterium*	палочки; делятся в одной плоскости, образуют пары или цепочки клеток	35-51 32-46	L D D DL DL L	L. delbruckii L. bulgaricus L. lactis L. jensenii L. plantarum L. casei

* Виды, относящиеся к этому подроду, расщепляют пентозы по окислительному пентозофосфатному пути, осуществляя гетероферментативное молочнокислое брожение. Поэтому они не являются облигатно гомоферментативными молочнокислыми бактериями.

Таблица 3. Характеристика таксономических групп гетероферментативных молочнокислых бактерий Table 3. Characteristics of taxonomical heterofermentative lactic acid bacteria groups

Род и подрод бактерий

Морфология и особенности клеточного деления

Молекулярное содержание ГЦ в ДНК, %

Конфигурация молочной кислоты

Наиболее распространенные виды

Род Leuconostoc

сферические или чечевицеобразные клетки; делятся в одной плоскости, в результате образуются цепочки

38—44

D

L. mesenteroides

L. lactis

Род Lactobacillus Подрод Betabacterium

палочки; делятся в одной плоскости

37—53

DL

L. fermentum L. brevis L. buchneri

** Характеристика представителей подрода Streptobacterium приведена в таблице 2

рованные овощи стабильного качества, используют закваски, аналогичные тем, которые используют в молочной промышленности. Мало того, что закваски обеспечивают стабильное качество конечного продукта, они ускоряют процесс брожения. Используемые закваски имеют, как правило, кислую pH, они ингибируют нежелательные микроорганизмы на начальных стадиях ферментации. Поскольку эти микроорганизмы живут только в течение короткого времени (достаточно долго, чтобы инициировать процесс подкисления), они не нарушают естественную последовательность развития микроорганизмов, участвующих в процессе ферментации. Характеристика представителей подрода Streptobacterium приведена в таблице 3.

Заключение

Для получения сравнительных результатов все эксперименты проводили на модельных средах. Представлены результаты изучения динамики изменения качественных показателей в процессе направленного ферментирования с использованием штаммов молочнокислых микроорганизмов, в том числе и их консорциумов. Разработаны математические модели, адекватно описывающие степень деструкции глюкозы и фруктозы в процессе ферментации. Исходное сырьё подвергали гомогенизации и стерилизации с целью создания оптимальных условий для развития целевой микрофлоры и определения степени деструкции фруктозы и глюкозы различными штаммами микроорганизмов. Установлено, что использование консорциума молочнокислых микроорганизмов (L.plantarum+L.casei) для дан- ной культуральной среды нецелесообразно. Добавление фруктозы в количестве 0,5% от массы модельной среды позволяет значительно интенсифицировать процесс ферментирования капусты белокочанной.

Чистые культуры Leuconostoc mesen-teroides, Lactobacillus curvatus, Pediococcus cerevisiae, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus brevis, а также их комбинации (например, Lactobacillus brevis + Leuconostoc mesenteroides и др.), испытанные при брожении капусты, огурцов, перца, зеленых томатов, способствовали быстрому снижению рН, значительному накоплению молочной кислоты при низком содержании уксусной кислоты, резко уменьшали количество нежелательной микрофлоры. При этом отмечали улучшение органолептических свойств готовой продукции, в частности вкуса и цвета.