Использование штаммов молочнокислых микроорганизмов в процессе направленного ферментирования капусты белокочанной

Research Center for Food Systems) 78, Shkolnaya Street, Vidnoe, Moscow region, 142703, Russia ,

П роизводство ферментированной (квашеной) капусты состоит из следующих этапов: сбор сырья, очистка, удаление кочерыги, мытье, измельчение, фасование в упаковку, где будет происходить процесс брожения. Способные к брожению углеводы – глюкоза, фруктоза и сахароза преобразовываются в молочную кислоту, этанол, маннит, уксусную кислоту и устанавливают благоприятные условия для развития микрофлоры молочнокислых бактерий. Глюкоза и фруктоза являются сахарами, которые способны к сбраживанию. Процесс ферментации продолжается пока весь способный к брожению сахар не используется или пока титруемая кислотность в продукте не достигнет значения 1,7-2 %, с рН 3,4-3,6, при этом рост молочнокислых бактерий практически прекращается. Для правильного протекания процесса ферментации рекомендуется использовать сорта капусты белокочанной с содержанием сахаров не ниже 4%. Однако добавление глюкозы и фруктозы позволяет значительно интенсифицировать процесс брожения и использовать сорта капусты белокочанной с низким содержанием сахаров [1, 2].

Кислотность является важным физико-химическим показателем качества квашеной капусты, также от уровня кислотности зависит вкус и аромат готового продукта. При этом, важными факторами для положительного протекания процесса является соблюдение температуры, анаэробных условий, а также качество исходного сырья, добавление соли и т.д. Все это играет решающую роль для получения готового продукта хорошего качества [3, 4].

Хорошей альтернативой непосредственному процессу ферментации является применение заквасок (штаммов молочнокислых микроорганизмов, лактокультур), это позволяет управлять процессом ферментации и контролировать его. При этом для успешного применения заквасок в ферментированных продуктах необходимо учитывать несколько фак- торов: вид сырья, исходное количество сахаров в сырье, органолептические особенности, безопасность, польза для здоровья, срок хранения [5].

Выбор надлежащих заквасок имеет огромное влияние на качество конечного продукта. При квашении капусты закваски могут быть внесены в сырье в виде одного штамма или в виде консорциума молочнокислых микроорганизмов, содержащего несколько штаммов. Использование заквасок ускоряет процесс брожения и квашеная капуста может быть произведена в более короткий период по сравнению с непосредственным брожением. При культивировании свежей капусты молочнокислыми микроорганизмами происходит быстрое накопление молочной и уксусной кислот, что приводит к быстрому снижению pH и тем самым гарантирует правильное продолжение процесса ферментации. Основными молочнокислыми бактериями при ферментации капусты белокочанной являются бактерии родов Lactobacillus и Leuconostoc [6].

Цели и задачи

Целью наших исследований является изучение процессов направленного ферментирования капусты белокочанной сорта Слава с использованием штаммов молочнокислых микроорганизмов и их консорциума с учётом степени их взаимного влияния.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить несколько задач:

• 1)    провести математическую обработку полученных данных по деструкции глюкозы и фруктозы;

• 2)    найти зависимость нарастания количества молочнокислых микроорганизмов от времени ферментации;

• 3)    рассчитать скорость сбраживания и удельную скорость ферментации для каждой культуры (штамма молочнокислых микроорганизмов);

• 4)    для определения характера взаимодействия молочнокислых микроорганизмов разных видов в консорциуме при совместном культивировании необходимо рассчитать аддитивную скорость сбраживания;

• 5)    рассчитать коэффициенты взаимодействия молочнокислых микроорганизмов (фактор взаимного влияния);

• 6)    установить влияние изменения углеводной составляющей культуральной среды на процесс ферментации.

Материалы и методы

В работе использованы стандартные и новейшие методики исследований.

Модельная среда представляла собой предварительно вымытую, нашинкованную, гомогенизированную биомассу капусты белокочанной, с добавленной в нее поваренной солью в количестве 1,5% от массы продукта, расфасованную в стеклянные банки с винтовой укупоркой и стерилизованную в течение 20 мин при противодавлении 1 бар, затем охлажденную до комнатной температуры.

В качестве живых культур использовали штаммы молочнокислых микроорганизмов рода Lactobacillus brevis и plantarum – и их парный консорциум. В отдельные образцы модельных сред дополнительно вносили глюкозу или фруктозу в количестве 0,5%. Активную фазу ферментирования осуществляли в течение 3-х сут при температуре +23...25 ° С, затем образцы выдерживали при температуре -1...+4 ° С. Отбор проб проводили в трех образцах с двумя повторностями для каждого образца по истечении 12-3-10-30-60-90 суток ферментирования. Количество молочнокислых микроорганизмов определяли по [7].

Исследование динамики изменения содержания сахаров проводили методом ВЭЖХ на жидкостном хроматографе с рефрактометрическим детектором Perkin Elmer Series 200, колонка – Agilent Zorbax Carbohydrate 4,6 x 250 мм, подвижная фаза – «ацетонитрил:вода» 75:25, скорость потока 1 см3/мин в изократическом режиме. Идентификацию глюкозы, фруктозы и сахарозы проводили по абсолютному времени удерживания в образцах, сравнением со временем удерживания в градуировочных растворах. Расчёт концентрации – методом внешнего стандарта [8].

Математическую обработку полученных данных по деструкции глюкозы и фруктозы в процессе направленной ферментации проводили с помощью Microsoft Excel и SYSTAT TableCurve 2D.

Результаты

Проведя математическую обработку полученных данных по деструкции глюкозы и фруктозы в процессе направленной ферментации, мы установили, что изменение концентрации углеводов описывается уравнением:

где x – продолжительность ферментации, сут.;

a1s, b1s – расчетные коэффициенты для каждой культуры.

При этом скорость сбраживания является производной от (1) и описывается следующим уравнением:

Ун = a15-blsexp(-bls-x),

где x – продолжительность ферментации, сут.;

a1s, b1s – расчетные коэффициенты для каждой культуры.

Зависимость нарастания количества молочнокислых микроорганизмов от времени ферментации описывается уравнением

где x – продолжительность ферментации, сут.;

• a, b, с, d – расчетные коэффициенты для каждой культуры.

Таким образом, рассчитав скорость сбраживания для каждой культуры (2) и зависимость нарастания количества молочнокислых микроорганизмов от времени (3), мы можем рассчитать удельную скорость ферментации для каждого молочнокислого микроорганизма.

Удельная скорость ферментации является отношением скорости сбраживания углеводов к нарастанию количества молочнокислых микроорганизмов и описывается уравнением:

где x – продолжительность ферментации, сут;

• a, b, с, d, f – коэффициенты для каждой культуры.

Поскольку целью нашего исследования было изучение взаимного влияния молочнокислых микроорганизмов в консорциуме в данной культуральной среде, нам необходимо определить степень их взаимодействия.

Для того, чтобы рассчитать взаимное влияние микроорганизмов в консорциуме, рассчитываем аддитивную скорость сбраживания, которая описывается уравнением:

где x – продолжительность ферментации, сут;

• a, b, с, d – коэффициенты для каждой культуры.

На рисунке 1 представлены зависимости удельной скорости сбраживания от продолжительности ферментации. Для удобства восприятия данных удельная скорость сбраживания представлена в виде десятичного логарифма.

На левой части рисунка представлены зависимости удельной скорости сбраживания глюкозы молочнокислыми микроорганизмами; на правой части рисунка – фруктозы этими же микроорганизмами. Оценивая полученные данные по деструкции глюкозы, мы можем сделать вывод о том, что в процессе ферментации капусты белокочанной с использованием данного консорциума молочнокислых микроорганизмов, основную роль играет L. plantarum. И в случае консорциума с L.brevis, последний выступает в качестве ингибитора процесса ферментации и не дает первой культуре в достаточной мере раcкрыть свой потенциал. Активная фаза сбраживания глюкозы длится ~ 20 сут, затем идет плавное затухание процесса.

По данным деструкции фруктозы мы можем сделать аналогичный вывод, с той лишь разницей, что после активной фазы сбраживания, продолжительность которой составляет ~до 10-12 суток, процесс постепенно замедляется, при этом скорость сбраживания глюкозы значительно превышает скорость сбраживания фруктозы.

Отношение удельной скорости сбраживания к аддитивной рассчитываем по формуле:

где V ud_k – удельная скорость сбраживания консорциума; V ud_add – аддитивная скорость сбраживания.

По характеру отношения удельной скорости сбраживания углеводов данного вида консорциума микроорганизмов к удельной скорости сбраживания, рассчитанной из учёта аддитивного взаимодействия отдельных участников консорциума друг с другом, определяем характер взаимодействия молочнокислых микроорганизмов L. brevis и L. plantarum в консорциуме. Для удобства этот показатель удобнее представить в виде десятичного логарифма (lg). При этом, положительные значения будут соответствовать синергизму; отрицательные – антагонизму; близкие к 0 – аддитивному взаимодействию, т.е. соседству без взаимного влияния.

По данным сбраживания глюкозы (а), представленным на рис. 2, можно сделать вывод об антагонизме процесса, причем с ~5 по ~ 12 сутки ферментации можно наблюдать некоторую попытку приближения к положительным значениям, но после ~12 суток процесс уходит в «глубокий» антагонизм.

В случае сбраживания фруктозы (б) мы наблюдаем несколько иную картину: в начале ферментирования – антагонизм между членами процесса, с 10 по ~20 сутки ферментации – синергизм процесса, после 20 суток ферментации – постепенное «затухание» положительного взаимного влияния участников консорциума, которое с течением времени приближается к нулевым значениям.

В рамках данной научно-исследовательской работы была предпринята попытка изменения состава культуральной среды с целью выявления зависимости влияния увеличения углеводной составляющей на интенсивность процесса ферментации, т.е. внесение глюкозы и фруктозы. С этой целью в модельные среды было добавлено 0,5% (по массе) глюкозы или 0,5% (по массе) фруктозы. Рассчитав отношение скорости сбраживания углеводов к удельной скорости сбраживания мы получили зависимости, представленные на рис.3.

Из данных, представленных на рис. 3 (а), видно, что добавление глюкозы негативно сказывается на основном участнике процесса ферментации – L. plantarum , в то время как ингибитор процесса L. brevis получает мощную «поддержку».

Рис. 1. Зависимость скорости сбраживания глюкозы (а) и фруктозы (б) от продолжительности ферментации.

Fig.1. Dependence of the rate of fermentation of glucose (a) and fructose (b) of the duration of fermentation.

Рис. 2. Фактор взаимного влияния молочнокислых микроорганизмов в консорциуме при сбражвании глюкозы (а) и фруктозы (б).

Fig.2. The factor of mutual influence of lactic acid microorganisms in a consortium for the fermentation of glucose (a) and fructose (b).

Рис. 3. Влияние изменения углеводного состава культуральной среды на процесс ферментации;

(а) – добавление 0,5% глюкозы; (б) – добавление 0,5% фруктозы

Fig.3. Influence of changes in the carbohydrate composition of the culture medium on the process of fermentation;

(a) - addition of 0.5% glucose; (b) - addition of 0.5% fructose

Внесение 0,5% фруктозы, наоборот, положительным образом сказывается и на развитие L. brevis , и на развитие L. plantarum , причем, внесение фруктозы дает больший потенциал для развития L. brevis , нежели L. plantarum .

Выводы

В ходе проведенных научных исследований выяснилась неоднозначная роль молочнокислых микроорганизмов L. brevis и L. plantarum в составе консорциума. Так, в случае использования консорциума молочнокислых микроорганизмов (L. brevis + L. plantarum) в процессе ферментирования основную роль играет L. plantarum, в то время как L. brevis проявил себя как ингибитор процесса ферментации. Таким образом, использование данного консорциума молочнокислых микроорганизмов для данной культуральной среды нецелесообразно. Однако добавление 0,5% глюкозы положительным образом влияет на развитие L. brevis, который является ингибитором процесса, и негативно сказывается на основном участнике процесса ферментации – L. plantarum. Однако, добавление фруктозы в количестве 0,5% от массы модельной среды позволяет значительно интенсифицировать процесс ферментации капусты белокочанной сорта Слава, так как положительно влияет на развитие и L. brevis, и L. plantarum.

Проведенные исследования показали целесообразность использования консорциума молочнокислых микроорганизмов ( L. brevis + L. plantarum ) с добавлением в него фруктозы для управления и контроля процессом ферментации и

• • Литература

  • 1.    Dennis С. Microbiology of fruits and vegetables / С. Dennis // Essays in Agriculture and Food Microbiology. Norris R., Pettipher G.L. (eds). – NY: John Wiley and Sons Ltd. 1987. P.227.

  • 2.    Fleming, H.P. 1987. Considerations for the Controlled Fermentation and Storage of Sauerkraut. P.26-32.

  • 3.    Spiros Paramithiotis, George Papoutsis, Eleftherios H. Drosinos. Lactic Acid Fermentation of Fruits and Vegetables // Food biology series/ Paramithiotis S. (ed.). -Boca Raton, London, New York: CRC Press, Taylor &Francis Group. 2017. P.1-32.

  • 4.    Britta Wiander. Lactic Acid Fermentation of Fruits and Vegetables // Food biology series/ Paramithiotis S. (ed.). - Boca Raton, London, New York: CRC Press, Taylor &Francis Group. 2017. P.65-78.

  • 5.    Josephsen J., Jespersen L. Fermented foods and starter cultures // Handbook of Food Science, Technology and Engineering / Hui Y. H. (ed.). — Boca Raton, FL: CRC Press, 2006. P.177-1-177-20.

  • 6.    Buckenhьskes, H.J. 1993. Selection criteria for lactic acid bacteria to be used as starter cultures for various food commodities. FEMS Microbiology Reviews 12: 253272.

  • 7.    ГОСТ 10444.11-2013 «Микробиология пищевых продуктов и кормов для животных. Методы выявления и подсчета количества мезофильных молочнокислых микроорганизмов».

  • 8.    Лялина О.Ю., Глазков С.В., Тырина Е.С., Посокина Н.Е./ Исследование процессов деструкции фруктозы в процессе направленного ферментирования овощей с использованием штаммов молочнокислых микроорганизмов // Повышение качества, безопасности и конкурентоспособности продукции агропромышленного комплекса в современных условиях: Сборник научных трудов IX Международной конференции молодых ученых и специалистов, 22 октября 2015 г. – М.: ФГБНУ ВНИИПБиВП, 2015. – С.191-195.

• • References

  • 1.    Dennis С. Microbiology of fruits and vegetables / С. Dennis // Essays in Agriculture and Food Microbiology. Norris R., Pettipher G. L. (eds). – NY: John Wiley and Sons Ltd. 1987. P.227.

  • 2.    Fleming, H.P. 1987. Considerations for the Controlled Fermentation and Storage of Sauerkraut. P.26-32.

  • 3.    Spiros Paramithiotis, George Papoutsis, Eleftherios H. Drosinos. Lactic Acid Fermentation of Fruits and Vegetables // Food biology series/ Paramithiotis S. (ed.). - Boca Raton, London, New York: CRC Press, Taylor &Francis Group. 2017. P.1-32.

  • 4.    Britta Wiander. Lactic Acid Fermentation of Fruits and Vegetables // Food biology series/ Paramithiotis S. (ed.). - Boca Raton, London, New York: CRC Press, Taylor &Francis Group. 2017. P.65-78.

  • 5.    Josephsen J., Jespersen L. Fermented foods and starter cultures // Handbook of Food Science, Technology and Engineering / Hui Y. H. (ed.). — Boca Raton, FL: CRC Press, 2006. P.177-1-177-20.

  • 6.    Buckenhьskes, H.J. 1993. Selection criteria for lactic acid bacteria to be used as starter cultures for various food commodities. FEMS Microbiology Reviews 12: 253-272.

  • 7.    GOST 10444.11-2013 "Microbiology of food and animal feed. Methods for the detection and counting of the amount of mesophilic lactic acid microorganisms ".

  • 8.    Lyalina O.Yu., Glazkov S.V, Tirina E.S., Posokina N.E. / Investigation of fructose destruction processes in the process of directed fermentation of vegetables using strains of lactic acid microorganisms // Improvement of quality, safety and competitiveness of agro-industrial complex products in modern conditions: Proceedings of the IX International Conference of Young Scientists and Specialists, October 22, 2015 - М .: FGBNU VNIIPBIVP, 2015. P.191-195.