Loodus võimaldab inimesel nautida selles pakutavaid hüvesid. Samal ajal püütakse neid rikkusi suurendada, luua midagi uut ja õppida tundmatut. Bakterid on looduse väikseimad olendid, keda inimesed on õppinud ka oma eesmärkidel kasutama.
Aga need prokarüootsed organismid ei kanna mitte ainult patogeensete protsesside ja haigustega seotud kahju. Nad on ka olulise tööstusliku protsessi allikaks, mida inimesed on iidsetest aegadest kasutanud – kääritamine. Selles artiklis vaatleme, mis see protsess on ja kuidas konkreetselt ainete piimhappekääritamist läbi viiakse.
Käärimise esinemise ja kasutamise ajalugu
Esimene mainimine, et inimesed kasutasid teatud toodete saamiseks kääritamisprotsessi, ilmus juba 5000 eKr. Just siis kasutasid babüloonlased seda meetodit selliste toodete saamiseks nagu:
- juust;
- vein;
- kohupiim ja muudpiimatooted.
Hiljem hakati sarnast toitu vastu võtma Egiptuses, Hiinas, Sudaanis, Mehhikos ja teistes iidsetes osariikides. Nad hakkasid küpsetama pärmileiba, käärima köögiviljasaaki ja tekkisid esimesed konserveerimiskatsed.
Piimhappe kääritamise protsessi on inimesed kasutanud tuhandeid aastaid. Juustud, keefirid, jogurtid on alati olnud olulisel kohal toidukorras. Kõik arstid ja ravitsejad teadsid nende toodete kasulikkusest. Kuid põhjused, miks selline ümberkujundamine on võimalik, jäid pikka aega teadmata.
Inimesed ei osanud isegi ette kujutada, et käärimistingimused nõuavad mikroorganismide olemasolu. 17. sajandi keskel tegi Van Helmont ettepaneku võtta kasutusele termin "käärimine" nende keetmisprotsesside kohta, millega kaasneb gaasi eraldumine. Lõppude lõpuks tähendab see sõna tõlkes "keemist". Kuid alles 19. sajandil, see tähendab peaaegu kakssada aastat hiljem, avastas prantsuse mikrobioloog, keemik ja füüsik Louis Pasteur maailmale mikroobide, bakterite olemasolu.
Sellest ajast on saanud teatavaks, et erinevat tüüpi kääritamiseks on vaja erinevat tüüpi silmale nähtamatuid mikroorganisme. Nende uuring võimaldas aja jooksul käärimist kontrollida ja suunata seda inimese jaoks õiges suunas.
Käärimisprotsesside olemus
Kui me räägime sellest, mis on käärimisprotsess, siis tuleks välja tuua selle biokeemiline olemus. Lõppude lõpuks on see oma olemuselt vaid bakterite tegevus, mis ammutavad enda jaoks energiat kogu eluks ja toodavad erinevaidkõrvalsaadused.
Üldiselt saab käärimist kirjeldada ühe sõnaga – oksüdatsioon. Aine anaeroobne lagunemine teatud bakterite mõjul, mis põhjustab mitmete toodete moodustumist. Mis aine on aluseks ja milline on tulemus, määrab protsessi enda tüüp. Kääritamisvõimalusi on mitu, seega on nende teisenduste jaoks olemas klassifikatsioon.
Klassifikatsioon
Käärimisel on kolm peamist tüüpi.
- Alkohol. See koosneb algse süsivesikute molekuli oksüdeerimisest etüülalkoholiks, süsinikdioksiidiks, veeks ja ATP molekuliks (energiaallikaks). Need transformatsioonid viiakse läbi mitte ainult bakterite, vaid ka mitmesuguste perekondade ja liikide seente toimel. Just sel viisil on iidsetest aegadest saadud selliseid tooteid nagu õlu, vein, küpsetuspärm ja alkohol. Süsivesikute lagunemisel vabanev energia kulub mikroorganismi elutähtsate protsesside tagamiseks. See on protsessi bioloogiline olemus.
- Piimhappekäärimine on süsivesikute oksüdeerimine piimhappeks koos mitmete kõrvalsaaduste vabanemisega. Kuidas seda tehakse ja mis tüüpi see juhtub, käsitleme üksikasjalikum alt.
- Võihape. Seda tüüpi kääritamine on loomulikul skaalal oluline. See viiakse läbi anaeroobsetes tingimustes elavate võihappebakterite elulise aktiivsuse tõttu soode põhjas, jõemudas jne. Tänu nende tööle looduses töödeldakse tohutul hulgal orgaanilisi komponente. Tooted on palju aineid, millest peamisedvõihape. Samuti eraldub: atsetoon, isopropüülalkohol, süsinikdioksiid, äädikhape, piimhape, etüülalkohol ja muud ühendid.
Iga määratud tüüpidest on oluline nii looduslikul kui ka tööstuslikul tasandil. Selliseid muundumisi teostavaid organismitüüpe on tänapäeval hästi uuritud ja paljusid neist kasvatatakse kunstlikult, et saada suurt saaki.
Piimhappekääritamine: üldkontseptsioon
Seda tüüpi kääritamist on tuntud juba antiikajast. Juba enne meie ajastut oskasid Vana-Egiptuse ja teiste osariikide elanikud juustu valmistada, õlut ja veini pruulida, leiba küpsetada, juur- ja puuvilju kääritada.
Tänapäeval kasutatakse fermenteeritud piimatoodete jaoks spetsiaalseid starterkultuure, vajalike mikroorganismide tüvesid kasvatatakse kunstlikult. Protsess on kaasajastatud ja viidud automatismi, teostatud komplektsete seadmete abil. On palju tootjaid, kes toodavad otse piimhappekääritamist.
Kogu protsessi olemuse võib kokku võtta mitmesse lõiku.
- Põhiproduktina võetakse süsivesikuid – lihtsaid (fruktoos, glükoos, pentoosid) või kompleksseid (sahharoos, tärklis, glükogeen jt).
- Luuakse anaeroobsed tingimused.
- Tootele lisatakse teatud tüüpi piimhappebakterite tüvesid.
- Pakutakse kõiki vajalikke väliseid tegureid, mis on soovitud toote jaoks optimaalsed: valgustus, temperatuur, teatud lisaainete olemasolukomponendid, rõhk.
- Pärast kääritamisprotsessi lõppu toode töödeldakse ja kõik kõrvalühendid eraldatakse.
Loomulikult on see vaid toimuva üldine kirjeldus. Tegelikult toimub igas etapis palju keerulisi biokeemilisi reaktsioone, sest piimhappekäärimisprotsess on elusolendite elulise tegevuse tulemus.
Piimhappekääritamisprotsessi põhitõed
Keemilisest vaatenurgast on need teisendused järjestikuste etappide jada.
- Esiteks toimub muutus algses substraadis, st muutub aine (süsivesikute) süsinikuahel. See toob kaasa täiesti erineva iseloomuga vaheühendite ilmumise, mis kuuluvad erinevatesse klassidesse. Näiteks kui algseks substraadiks on glükoos, siis muudetakse see glükoonhappeks.
- Oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioonid, millega kaasneb gaaside eraldumine, kõrvalsaaduste teke. Peamine üksus kogu protsessis on piimhape. See on see, kes käärimise ajal toodetakse ja koguneb. See pole aga ainus seos. Seega moodustuvad äädikhappe, etüülalkoholi, süsinikdioksiidi, vee ja mõnikord ka muud molekulid.
- Protsessi energiasaagis adenosiintrifosforhappe (ATP) molekulide kujul. Glükoosi molekuli kohta on 2 ATP molekuli, aga kui algne substraat on keerulisema struktuuriga, näiteks tselluloos, siis on ATP molekule kolm. Piimhappebakterid kasutavad seda energiat edasiseks eluks.
On loomulik, etkui biokeemilisi transformatsioone üksikasjalikult mõista, tuleb märkida kõik vahepealsed molekulid ja kompleksid. Näiteks:
- püruviinhape;
- adenosiindifosfaat;
- nikotinamiindifosfaadi molekulid vesiniku ja muu kandjana.
See probleem väärib aga erilist tähelepanu ja seda tuleks käsitleda biokeemia seisukohast, seega me seda selles artiklis ei puuduta. Vaatame lähem alt, milline on piimhappetoodete tootmise tehnoloogia ja millised kääritamise tüübid on olemas.
Homofermentatiivne kääritamine
Homofermentatiivne piimhappekääritamine hõlmab haigustekitajate erivormide kasutamist ning erineb heterofermentatiivsest tekkivate saaduste ja nende koguse poolest. See esineb mööda glükolüütilist rada mikroorganismi rakus. Põhimõte on, nagu iga kääritamise puhul üldiselt, süsivesikute muundamine piimhappeks. Selle protsessi peamine eelis on see, et soovitud toote saagis on 90%. Ja ainult ülejäänu läheb kõrvalühenditeks.
Järgmiste liikide seda tüüpi bakterite kääritamine:
- Streptococcus lactis.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus ja teised.
Milliseid aineid veel tekib homofermentatiivse kääritamise tulemusena? Need on ühendused nagu:
- etüülalkohol;
- lenduvad happed;
- süsinikdioksiid;
- fumaar- ja merevaikhape.
Samas seda fermenteeritud piimatoodete saamise meetodit tööstuses praktiliselt ei kasutata. Looduses säilib see glükolüüsi algstaadiumina, seda esineb ka imetajate lihasrakkudes ulatusliku füüsilise koormuse korral.
Inimeste toitumiseks vajalike toodete tootmise tehnoloogia hõlmab selliste esialgsete süsivesikute kasutamist nagu:
- glükoos;
- sahharoos;
- fruktoos;
- mannoos;
- tärklis ja mõned teised.
Ja homofermentatiivsed bakterid ei suuda paljusid neist ühenditest oksüdeerida, mistõttu ei ole nende kasutamine starterkultuuridena tootmises võimalik.
Heterofermentatiivne piimhappekääritamine
See meetod on just tööstuslikult kasutatav meetod, tänu millele valmistatakse kõik hapendatud piimatooted, säilitatakse juurvilju ja kogutakse silosööta kariloomadele.
Peamine erinevus varem kirjeldatust seisneb selles, et patogeenid viivad läbi piimhappekäärimise koos suurema hulga kõrvalsaaduste moodustumisega. Bakterid töötlevad vaid 50% suhkrust piimhappeks, ülejäänu läheb selliste molekulide moodustamiseks nagu:
- äädikhape;
- glütseriin;
- süsinikdioksiid;
- etüülalkohol ja muud.
Kuidas on parem ja tulusam kui 90% puhta piimhappe moodustamine homofermentatiivsel meetodil? Asi on selles, et kui põhitoode on toodetudliiga palju, siis on paljude bakterite elutegevus täielikult pärsitud. Lisaks kaotavad tooted paljud maitseomadused, mida nad omandavad kõrvalühendite tõttu. Nii annavad näiteks konserveeritud köögiviljadele meeldiva aroomi äädikhape ja isoamüülalkohol. Kui neid ühendeid pole, on säilimise tulemus täiesti erinev.
Piimhappe saagis 50% on täiesti piisav, et pärssida kõigi süsteemis leiduvate kõrvaliste seente ja mikroorganismide arengut ja elutegevust. Sest isegi 1-2% põhjustab keskkonna liiga tugevat hapestumist, milles ei saa eksisteerida muid organisme peale piimhappebakterite. Kogu protsess viiakse läbi mööda pentoosfosfaadi rada.
Heterofermentatiivse meetodi fermentatsioonitingimused peaksid olema järgmised:
- algfaasis lisatud hea ja värske starter;
- optimaalsed välistingimused, mis valitakse iga toote jaoks eraldi;
- kvaliteetne ja hästi toimiv varustus;
- kõik protsessiks vajalikud tehnilised seadmed.
Väliste tingimuste hulgas on protsessi temperatuur eriti oluline. See ei tohiks olla liiga kõrge, kuid külm aeglustab drastiliselt kogu käärimisprotsessi.
Tänapäeval on olemas spetsiaalne käärituspaak, mis loob automaatselt kõik vajalikud tingimused mikroorganismide nõuetekohaseks ja mugavaks toimimiseks.
Vajalikud seadmed
Nagu eespool märkisime, on kõige olulisemate atribuutide hulgastuleks märkida käärimisvõime. Kui räägime kodusest protseduurist, siis peaksite pöörama tähelepanu konserveerimisel, jogurti ja muude toodete valmistamisel kasutatud nõude puhtusele. Üks viis mikroorganismide kõrvaliste populatsioonide arvu vähendamiseks on konteinerite steriliseerimine enne nende kasutamist.
Millised toidud sobivad heterofermentatiivseks kääritamiseks? See võib olla klaasist või kvaliteetsest plastikust (polüpropüleenist, polüetüleenist) anum, mis on tihed alt kaanega suletav.
Tööstus kasutab konteinerite desinfitseerimiseks ja puhastamiseks enne käärimisprotsessi algust spetsiaalseid seadmeid.
Protsessis kasutatavad bakterid
Kui me räägime bakterikultuuridest, mida kasutatakse konserveeritud ja fermenteeritud piimatoodete valmistamiseks, siis saame tuvastada mitu kõige levinumat organismitüüpi.
- Acidofiilne bulgaaria kepp.
- Lactobacillus liigid Sporolactobacillus inulinus.
- Bifidobakterid.
- Leukostocks.
- Piimhappekokk.
- Lactobacillus liigid L. Casei.
- Perekonna Streptococcus ja teised bakterid.
Märgitud organismide kombinatsiooni- ja puhaskultuuride põhjal valmistatakse fermenteeritud piimatoodete starterkultuurid. Need on avalikud, igaüks saab neid osta. Kõige olulisem on käärimisprotsessi tingimuste järgimine, et tulemusest kasu saadatoode.
Milliseid tooteid sellest fermentatsioonist saadakse?
Kui räägime sellest, milliseid käärimisprodukte saab laktobatsillide abil, siis võib nimetada mitu põhikategooriat.
- Kääritatud piimatooted (fermenteeritud küpsetatud piim, jogurtid, varenetid, keefir, kodujuust, hapukoor, või, acidophilus tooted ja muud).
- Silo-tüüpi sööt põllumajandusloomadele.
- Piimhape, mida kasutatakse karastusjookide valmistamisel, karusnahkade riietamisel ja muul viisil.
- Küpsetamine, juustu tootmine.
- Puu- ja köögiviljakonservid.
See kõik tõestab teatud tüüpi bakterite tähtsust inimeste elus ja nende tööstuslikus tegevuses.
