Динамика накопления молочной и уксусной кислот на основном этапе ступенчатого ферментирования белокочанной капусты с измененной углеводной составляющей

Введение. Несмотря на пользу самопроизвольного ферментирования для сохранения сырых овощей и фруктов, существует вероятность неудачного течения процесса с точки зрения неадекватного ингибирования порчи, развития патогенных микроорганизмов, ухудшения органолептических свойств или состава питательных веществ [1, 2]. Поэтому широкое распространение получила направленная (контролируемая) ферментация с использованием заквасок. В связи с этим использование автохтонных культур, выделенных из сырых и ферментированных овощей и фруктов, адаптированных к специфической растительной матрице, может гарантировать достаточно длительный срок годности с одновременным сохранением внешнего вида, вкуса, запаха, текстуры, а также ряда функциональных свойств ферментированных продуктов [3–6].

Направленное микробное ферментирование рассматривается как наиболее эффективное в отношении производства квашеной капусты и соленых огурцов. Ферментирование растительного сырья, и белокочанной капусты в частности, является многоступенчатым процессом, на каждой стадии которого происходит огромное количество микробиологических, физических и химических изменений, ведущих к трансформации качественных показателей конечного продукта как в лучшую, так и в худшую сторону [7, 8]. В момент активации процесса ферментации наступает критический момент, определяющий оптимальные условия для развития молочнокислых бактерий, их быстрый рост и, как следствие, резкое снижение рН среды в результате их жизнедеятельности. Данные условия могут наступить только в случае продолжения процесса в «нужном направлении», в том числе и с обязательным условием создания анаэробной среды, чтобы избежать развития нежелательных микроорганизмов, вызывающих порчу продукта.

Ферментирование растительной ткани представляет собой последовательность двух этапов, или фаз. Первый этап – газообразующий, основными участниками которого являются молочнокислые бактерии гетероферментативного типа [9]. При этом, наряду с накоплением молочной и уксусной кислот, происходит выделение СО2. Второй этап (фаза) уже проходит без газообразования, поскольку здесь уже преобладают бактерии гомоферментативного типа [9–11]. Основ- ными продуктами жизнедеятельности молочнокислых микроорганизмов во время ферментирования квашеной капусты являются: молочная и уксусная кислоты, СО2, маннит и этанол.

В ранее проведенных работах по исследованию процесса ферментации белокочанной капусты с использованием штаммов молочнокислых микроорганизмов пришли к выводу о целесообразности проведения ступенчатого процесса, при котором на этапе «предферментации» среда инокулируется Leuconostoc mesenteroides с целью создания благоприятных условий для развития основной молочнокислой микрофлоры и на «основном» этапе ферментации уже вносится целевая микрофлора [2]. При этом возникает необходимость углеводной корректировки сырья, так как к моменту внесения основной микрофлоры количество питательных компонентов для ее развития, в частности глюкозы и фруктозы, значительно снижается.

Ключевым фактором «правильности» протекания процесса ферментирования является накопление и соотношение в субстрате молочной и уксусной кислот, как «маркеров» гомофермен-тативного и гетероферментативного течения процесса [12]. В итоге именно от накопления этих кислот (главным образом молочной) зависит качество ферментированных продуктов и их микробиологическая стабильность.

Цель исследования: изучить динамику накопления молочной и уксусной кислот в процессе направленного ферментирования модельной среды на основе белокочанной капусты сорта Парус с измененной углеводной составляющей и определить самый результативный консорциум молочнокислых микроорганизмов с этой точки зрения.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач :

– изучить динамику накопления молочной кислоты в исследуемой среде как показатель го-моферментативного брожения и определить, какой консорциум молочнокислых микроорганизмов накапливает максимальное количество кислоты в рамках проведения эксперимента;

– изучить динамику накопления уксусной кислоты как показателя гетероферментативного брожения и определить, какой консорциум молочнокислых микроорганизмов накапливает максимальное ее количество;

– определить самый результативный консорциум молочнокислых микроорганизмов с точки зрения суммарного накопления молочной и уксусной кислот, так как этот фактор влияет на безопасность конечного продукта и его органолептические показатели.

Объект и методика исследования: Объект исследования – стерилизованная модельная среда на основе белокочанной капусты сорта Парус (урожай 2020 г.) с модифицированным углеводным составом (ФГБНУ «Федеральный научный центр овощеводства»), подвергшаяся ферментированию штаммами молочнокислых микроорганизмов видов: L. mesenteroides , L. brevis , L. casei и L. plantarum ( ВНИИПБТ).

Стерильную среду из белокочанной капусты готовили в соответствии с [12], углеводную корректировку – по [13].

Массовые доли молочной и уксусной кислот в модельной среде определяли по [14] с использованием системы капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ-105М» (ООО «Люмэкс»).

Каждый эксперимент проводили в трехкратной повторности. Обработку данных проводили с использованием специализированного программного обеспечения Wolfram Mathematica 10.4 (Wolfram Research), Table Curve 2Dv.5.01 (SYSTAT Software Inc.), а также табличного процессора MS Excel 2010.

Результаты исследования и их обсуждение. Анализ экспериментальных данных пока- зал, что в процессе основного этапа ферментирования накопление молочной кислоты в последовательности монокультур менее всего выражено в случае L. brevis, а максимально – в случае L. plantarum. При этом различие между крайними случаями в анализируемой области в период ферментирования, соответствующий их зонам плато, составляет ~46 % от концентрации молочной кислоты, продуцированной монокультурой L. brevis.

На рисунках 1–3 представлены динамики накопления молочной кислоты в процессе основного этапа ферментирования.

Отличительной особенностью исследованных парных консорциумов в отношении динамики накопления молочной кислоты является их четкое деление на две группы:

– консорциум ( L. casei + L. plantarum ), в процессе жизнедеятельности которого интенсивность накопления молочной кислоты в процессе основного этапа ферментирования существенно превосходит таковую для соответствующих монокультур;

– консорциумы ( L. brevis + L. casei и L. brevis + L. plantarum ), в процессе жизнедеятельности которых интенсивность накопления молочной кислоты приблизительно соответствует таковой для вариантов монокультур, т. е. в данном случае применение консорциумов микроорганизмов нецелесообразно.

Рис. 1. Динамика накопления массовой доли молочной кислоты в процессе основного этапа ферментирования субстрата монокультурами L. plantarum, L. casei и консорциумом L. casei + L. plantarum

Рис. 2. Динамика накопления массовой доли молочной кислоты в процессе основного этапа ферментирования субстрата монокультурами L. brevis, L. casei и консорциумом L. brevis + L. Casei

Рис. 3. Динамика накопления массовой доли молочной кислоты в процессе основного этапа ферментирования субстрата монокультурами L. plantarum, L. brevis и консорциумом L. brevis + L. plantarum

Следовательно, в варианте L. casei + L. plantarum имеет место выраженный синергизм взаимодействия видов микроорганизмов в составе консорциума по продуцированию молочной кислоты, чего нельзя сказать в отношении остальных исследованных консорциумов.

В дополнение к молочной кислоте динамика накопления уксусной кислоты в процессе ферментирования позволяет судить о прохождении гетероферментативного процесса, что важно при формировании ароматического «букета» ферментированного продукта. Но это может также указывать на протекание нежелательных процессов «постороннего» брожения, что, возможно, негативно отразится на органолептических свойствах готового продукта.

Анализ экспериментальных данных показал, что в случае монокультур наиболее активным продуцентом уксусной кислоты является L. brevis , тогда как минимум отмечен у L. plantarum.

Максимальное накопление уксусной кислоты отмечали для консорциума L. casei + L. plantarum и среды, ферментированной L.casei (рис. 4–6). При этом, в отличие от молочной кислоты, разница в интенсивности продуцирования уксусной кислоты между монокультурами, соответствующими крайним вариантам, составляет ~7,5 раз.

Рис. 4. Динамика накопления массовой доли уксусной кислоты в процессе основного этапа ферментирования субстрата монокультурами L. plantarum, L. casei и консорциумом L. casei + L. plantarum

Рис. 5. Динамика накопления массовой доли уксусной кислоты в процессе основного этапа ферментирования субстрата монокультурами L. brevis, L. casei и консорциумом L. brevis + L. casei

Рис. 6. Динамика накопления массовой доли уксусной кислоты в процессе основного этапа ферментирования субстрата монокультурами L. plantarum, L. brevis и консорциумом L. brevis + L. plantarum

Как и в случае с молочной кислотой, по динамике концентрации уксусной кислоты по отношению к таковым у составляющих монокультур исследованные консорциумы также могут быть однозначно разделены на две группы:

– консорциум ( L. casei + L. plantarum ), монокультуры в составе которого проявляют синергизм взаимодействия;

– консорциумы ( L. brevis + L. Casei и L. brevis + L. casei ) с выраженным антагонизмом.

При этом антагонизм предполагает превалирование гомоферментативного механизма сбраживания по сравнению с культивируемыми отдельно соответствующими монокультурами, а синергизм – гетероферментативного.

Выводы. Накопление молочной кислоты менее всего выражено в случае ферментации среды с использованием L. brevis , максимально – в случае L. plantarum . В случае использования консорциума ( L. casei + L. plantarum ) интенсивность накопления молочной кислоты существенно превосходит таковую для соответствующих монокультур в процессе основного этапа ферментирования.

Наиболее активным продуцентом уксусной кислоты в условиях данного эксперимента является L. brevis , тогда как минимум отмечен у L. plantarum. Максимальное накопление уксусной кислоты отмечено для консорциума ( L. casei + L. plantarum).

По результатам данного исследования можно сделать вывод о целесообразности использования при ферментации белокочанной капусты консорциума ( L. casei + L. plantarum ) с соответствующей углеводной корректировкой сырья, поскольку в процессе его жизнедеятельности интенсивность накопления молочной кислоты и, соответственно, безопасность продукта, в процессе основного этапа ферментирования существенно превосходят таковые для соответствующих монокультур.

Результаты исследования могут быть использованы при разработке технологии «управляемой» ферментации белокочанной капусты с использованием заквасочных культур.