Научно-обоснованные подходы к процессу ферментации овощей и преимущества использования бактериальных заквасочных культур

• ¹    Russian Research Institute of Canning Technology –

Branch of V.M. Gorbatov Federal Research Center for Food Systems of RAS (VNIITeK – Branch of Gorbatov Research Center for Food Systems)

78, Shkolnaya Street, Vidnoe, Moscow region, 142703, Russia

• ²    FSBSI Federal Scientific Vegetable Center

Selectionnaya str., 14, p. VNIISSOK,

Odintsovo district, Moscow region, 143072, Russia

Введение

Использование процесса ферментации для сохранения раститель- ного сырья известно еще с древних времен. Например, квашеную капусту в далеком прошлом эффективно приме- няли для профилактики неизлечимой тогда еще болезни цинги. Процесс брожения овощей и фруктов представляет собой очень сложную систему микробных, биохимических, ферментативных, химических и физических про- цессов. Квашеная капуста, соленые огурцы и оливки являются одними из самых популярных ферментированных продуктов. Процессы, происходящие при ферментации этих овощей, схожи, но имеют ряд отличий. Например, фер- ментированная капуста представляет собой продукт, полученный в результате молочнокислого брожения измельченного свежего сырья, в то время как огурцы и оливки не измельчают. Протекание процесса ферментации зависит от множества факторов, таких как количество ферментируемых углеводов, содержащихся в сырье, концентрация соли от 0,6 до 2%, соблюдение анаэробных условий и поддержание оптимальной температуры между 15 и 20°C. Соблюдение данных условий – залог получения высококачественного готового продукта [1].

Ферментация капусты белокочанной представляет собой сложный микробиологический процесс, обусловленный метаболической активностью в определенной последовательности развития различных микроорганизмов, преимущественно гетероферментатив-ного и гомоферментативного типа. Эта преемственность является следствием изменения условий окружающей среды в процессе ферментации. Также существует альтернатива традиционному способу самопроизвольного брожения (соления и заквашивания) овощей – это использование в процессе ферментации культуральных заквасок (штаммов молочнокислых микроорганизмов), поскольку они более эффективно устраняют неблагоприятную естественную микрофлору, ускоряют протекание процесса и приводят к получению продукта стабильного качества с улучшенными физическими, химическими, органолептическими и микробиологическими свойствами [2,10].

Главные принципы ферментации

Ферментация – это биохимический процесс, при котором в органических субстратах (главным образом, в углеводах под действием микроорганизмов) происходят изменения, приводящие к превращению разлагаемых пищевых компонентов в более стабильные формы.

При квашении и солении овощей молочнокислые бактерии сбраживают сахар в молочную кислоту по схеме:

С 6 H 12 O 6 – 2C 3 H 6 O 3 +222,5 ккал

Во многих случаях наиболее очевидным изменением в процессе молочнокислого брожения является образование кислоты и последующее снижение значения рН, что приводит к увеличению кислотности и снижению степени сладости [3]. Молочнокислые бактерии – это разнородная группа микроорганизмов, обладающих рядом общих свойств. Все они продуцируют молочную кислоту, которая может подавлять жизнедеятельность и убивать другие микроорганизмы [4]. Молочнокислые бактерии обычно мезофильны, но могут расти и при низких температурах (5°C), и при высоких (45°C). Если большинство штаммов способны к росту при рН 4,0-4,5, некоторые из них активны даже при рН 9,6, а другие – при рН 3,2 [5,6]. Важнейшие свойства молочнокислых бактерий, используемых при ферментации плодоовощной продукции, представлены в таблице 1. За исключением некоторых стрептококков молочнокислые бактерии безвредны для человека, что делает их идеальным средством консервирования пищевых продуктов.

Молочнокислые бактерии подразделяются на две группы – гомо- и гетеро-ферментативные, которые затем подразделяются далее по способу сбраживания глюкозы. Гомоферментативные бактерии ( Pediococcus, Streptcoccus, Lactococcus ) и некоторые лактобациллы в качестве главного или единственного продукта продуцируют из глюкозы молочную кислоту [7,8,9], а гетеро-ферментативные бактерии ( Weissella и Leuconostoc ) играют важную роль в продуцировании флавоноидных компонентов – ацетальдегидов и диацетила. Молочнокислые бактерии довольно требовательны к питательной среде и требуют наличия витаминов и аминокислот. Все эти нутриенты, необходимые для роста молочнокислых бактерий, содержатся в ферментируемых капусте, огурцах и оливках [10].

Молочнокислые бактерии обычно участвуют в продуцировании соединений, ингибирующих рост и размножение других микроорганизмов, в том числе противомикробные соединения с относительно широким спектром ингибирующего действия, и соединения с довольно узким противомикробным

Таблица 1. Важнейшие свойства молочнокислых бактерий, используемых при ферментации плодоовощной продукции [7] Table 1. The most important properties of lactic acid bacteria used in the fermentation of fruit and vegetable products

Свойство Lactobacillus Leuconostoc mesenteroides Pediococcus pentosaceus brevis plantarum Морфологическое строение Палочки, одиночные Палочки, одиночные или в виде коротких цепочек Овальные кокки, парами Кокки, парами и тетрады Морфологическое строение Палочки, одиночные Палочки, одиночные или в виде коротких цепочек Овальные кокки, парами Кокки, парами и тетрады Оптимальная температура роста, °С 30 30-35 20-25 35 Гомоферментативные + + Гетероферментативные + + Основной продукт Лактат, ацетат и СО2 в молярном соотношении 1:1:1 Лактат Лактат, ацетат и СО2 в молярном соотношении 1:1:1 Лактат Оптический изомер молочной кислоты, образующейся из глюкозы DL DL, D(-), L(+) D(-) DL, L(+) действием [11]. Наиболее эффективный способ вытеснения других микроорганизмов обусловлен способностью молочнокислых бактерий к быстрому росту в большинстве пищевых продуктов с образованием кислоты, которая быстро снижает рН до значений, при которых конкурирующие организмы не выживают [12]. Кроме того, у лактобацилл отсутствует каталаза, и поэтому они способны продуцировать пероксид водорода [13], который подавляет жизнедеятельность микроорганизмов порчи [14] (сами лактобациллы относительно устойчивы к нему) [15]. Роль пероксида водорода как консерванта, судя по всему, не главная, особенно по сравнению с продуцированием кислоты. Диоксид углерода, вырабатываемый гетерофермента-тивными бактериями, также обладает консервирующим действием, которое частично является результатом его вклада в анаэробиоз [16]. Кроме того, молочнокислые бактерии подавляют жизнедеятельность других микроорганизмов благодаря продуцированию бактериоцина [17,18]. При ферментации обычно происходит изменение органолептических (вкус, запах и т.п.) и/или функциональных свойств пищевого продукта, которые востребованы потребителями. Употребление пищевых продуктов, содержащих молочнокислые бактерии, обусловливает ряд потенциально полезных для здоровья эффектов [1,19]. Некоторые из них связаны с активностью молочнокислых бактерий при ферментации пищевых продуктов, другие обусловлены колонизацией ими желудочно-кишечного тракта. Тем не менее, многие заявления о полезности молочнокислых бактерий для здоровья являются довольно противоречивыми [20] и должны стать предметом научных исследований их специфических функций в пищевых продуктах и организме человека [21].

Примеры ферментированной плодоовощной продукции

С помощью молочнокислого брожения консервируют самые разные овощи и фрукты. В странах Запада очень популярна квашеная капуста, соленые огурцы и ферментированные оливки, но ферментируют также морковь, цветную капусту, сельдерей, окру (бамию), некоторые виды лука и перцев. При попадании овощей в солевой раствор соответствующей концентрации в них начинается брожение. В большинстве случаев при промышленном производстве заквасочные культуры не используют, и брожение является результатом жизнедеятельности природных микроорганизмов и условий среды (концентрации соли, значение рН и температуры рассола) [22]. Для ферментации большинства видов овощей приготавливают рассолы, но соль может вноситься и в сухом виде, например, при квашении капусты. Концентрация соли зависит от способности конкретных овощей к размягче- нию при выдержке в рассоле и может варьировать от 1% до 8% [23]. Основным продуктом брожения является молочная кислота. Соль впитывает из овощей влагу и сдерживает рост нежелательных микроорганизмов порчи, причем овощи служат субстратом для роста и размножения молочнокислых бактерий. В ходе ферментации должны поддерживаться анаэробные условия, позволяющие нативным микроорганизмам размножаться и продуцировать достаточное количество молочной кислоты, предотвращая при этом рост микроорганизмов порчи. В некоторых странах контроль ферментации определенных овощей (например, огурцов) осуществляют путем добавления уксусной кислоты, препятствующей росту микроорганизмов порчи, создания буферной среды с помощью ацетата или гидроксида натрия, а также путем использования закваски на основе L. plantarum, (отдельно или вместе с Pediococcus cerevisae). Такая контролируемая ферментация экономически более выгодна и позволяет быстрее получать однородный по качеству продукт.

Описание процесса ферментации

Ферментация осуществляется одним из трех способов: самопроизвольным брожением, путем добавления рассола от предыдущей ферментации или путем внесения закваски. Самопроизвольное брожение – это комплекс процессов биохимических изменений без участия заквасочных культур. Обычно эти изменения происходят благодаря активности различных конкурирующих нативных микроорганизмов. Доминирующими оказываются те микроорганизмы, которые лучше всего адаптированы к данному пищевому субстрату и к условиям процесса (соотношение углерода и азота, температура, значение рН, наличие и количество кислорода). Брожение такого типа довольно часто происходит путем смены пулов микроорганизмов, среди них доминируют молочнокислые бактерии, а на втором месте различные виды дрожжей. Молочнокислые бактерии продуцируют молочную кислоту и другие противо-микробные вещества, подавляющие рост и размножение патогенных бактерий и микроорганизмов порчи, тогда как дрожжи продуцируют главным образом вкусо-ароматические соединения и спирты. Многие промышленные процессы ферментации (например, квашение капусты) до сих пор проводят как самопроизвольное брожение.

В случае применения рассола от предыдущей партии ферментируемого продукта инициируем новый процесс брожения, используя остаточную «целевую» микрофлору. При этом сокращается начальная стадия процесса сбраживания, снижается риск неудачного брожения [24], и процесс приобретает «полунепрерывный» характер.

В производстве ферментированных продуктов зачастую используют раз- личные группы микроорганизмов – лактобациллы, лейконостоки и педиококки (Lactobacilli, Leuconostoc, Pediococci). В ферментировании плодоовощной продукции чаще применяют молочнокислые бактерии и различные дрожжи.

Внесение заквасочных культур используется при наличии возможности инактивации нативной микробиоты путем тепловой обработки сырья и позволяет расти и размножаться только внесенным заквасочным микроорганизмам [25,26]. Выбор той или иной заквасочной культуры (одно- или мно-гоштаммовой) определяется свойствами субстрата, ожиданиями потребителей и техническими требованиями.

Бактериальные заквасочные культуры

Процессы ферментации, происходящие естественным путем, в некотором смысле непредсказуемы, что неприемлемо для крупномасштабного производства. Для повышения надежности и обеспечения более стабильного процесса ферментации зачастую применяют бактериальные заквасочные культуры, которые должны обладать соответствующими свойствами и быть способными доминировать над нативными молочнокислыми бактериями.

Заквасочные культуры могут быть чистыми или смешанными. Применение смешанных заквасочных культур позволяет снизить риск инфицирования бактериофагами [7] и улучшить качество готовой продукции. При ферментации пищевых продуктов под влиянием динамично меняющихся условий среды происходит сложная смена пулов микроорганизмов. Вместе с тем, выделение из ферментированных естественным образом овощей широкого спектра молочнокислых бактерий, продуцирующих бактериоцины, свидетельствует, что при традиционной ферментации определенную роль играют и противомикробные белки [7]. Роль и взаимодействие культур бактериоцин-продуцирующих штаммов в природных экосистемах до сих пор до конца не ясны, хотя продуцирующие бактерио-цин-заквасочные культуры, способные к росту в овощных рассолах, могут иметь конкурентное преимущество, что может использоваться в разработке коммерческих заквасочных культур для ферментирования плодоовощной продукции [7].

При ферментации плодоовощной продукции применяют лишь несколько стартерных культур (штаммов молочнокислых микроорганизмов) и основной закваской при солении и квашении огурцов, капусты и оливок является культура на основе L. plantarum, L. mesenteroides [6,8].

Молочнокислые бактерии довольно требовательны к питательной среде и требуют наличия витаминов и аминокислот. Употребление пищевых продуктов, содержащих молочнокислые бактерии, обусловливает ряд потенциально полезных для здоровья эффектов [26]. Некоторые из них связаны с актив- ностью молочнокислых бактерий при ферментации пищевых продуктов, другие обусловлены колонизацией ими желудочно-кишечного тракта.

Микробные пулыв ферментированных овощах

Ферментация овощей зависит не столько от какого-либо единственного микроорганизма, сколько от пула бактерий разных родов и видов. Определенный микроорганизм (или группа микроорганизмов) начинает размножаться и через некоторое время становится доминирующим. В результате накопления соединений-ингибиторов роста он замедляется, и начинают размножаться другие виды, менее чувствительные к ингибирующим факторам.

О последовательном участии различных видов молочнокислых бактерий в брожении сообщают разные ученые [1,23]. Смена пулов зависит от химических (субстраты, концентрация соли, значение рН) и физических (тип продукта, температура) факторов. В работе [3] рост микроорганизмов в процессе естественной ферментации овощей разделяется на четыре последовательные стадии:

Основные преимущества ферментации

Ферментация – относительно недорогой и энергосберегающий способ переработки скоропортящейся плодоовощной продукции, для нее не требуется сложного оборудования. При ферментации повышается безопасность пищевых продуктов для здоровья человека, снижается опасность достижения патогенными микроорганизмами и токсинами инфекционного или токсикогенного уровня, увеличивается срок хранения благодаря подавлению роста микроорганизмов порчи, которые вызывают органолептические изменения и порчу продуктов.

Выводы

Ферментированные овощи играют важную роль в питании, обеспечивая наличие безопасного для здоровья и питательного продукта длительного срока хранения с характерными органолептическими свойствами. Целью будущих разработок в этой области является повышение качества и снижение порчи ферментированных овощей и фруктов, что можно обеспечить путем управления процессом ферментации с использованием сочетания физических, химических и биологических факторов.