Использование ферментации при разработке натуральных пищевых консервантов и добавок

От сырых культур до очищенных соединений: добавки, полученные из ферментации

В то время как цельные ферментированные продукты остаются популярными, пищевая промышленность все чаще обращается к очищенным соединениям, полученным из ферментации, которые могут быть точно дозированы в обработанные продукты. Эти ингредиенты несут «естественную» привлекательность этикетки, потому что они производятся микробным метаболизмом, а не химическим синтезом. Основные категории, в настоящее время в коммерческом использовании, описаны ниже.

Органические кислоты и их соли

Молочная кислота (E270) является наиболее широко используемой ферментационной органической кислотой. Она производится промышленным путем путем погружения в воду видов лактобацилл на кукурузном крахмале, тростниковом сахаре или сыворотке. Кислота восстанавливается путем этерификации и гидролиза, что дает продукт высокой чистоты, который регулирует кислотность в напитках, повязках, кондитерских изделиях и готовых к употреблению блюдах. Его соли - лактат натрия и лактат калия - особенно ценны в обработанном мясе, где они снижают активность воды и ингибируют психотрофную листерию Листерия , добавляя мягкий соленый кисломолочный вкус.

Уксусная кислота (E260) и ее соли (ацетат натрия, диацетат натрия) производятся путем ферментации уксуса или посредством метаболической активности Ацетобактерии на этаноле. Эти соединения поддерживают свежесть в выпечке, соусах и маринадах. Диацетат натрия особенно эффективен против формирующих веревки Бацилл видов в хлебе, обеспечивая чистую альтернативу пропионату кальция.

Лимонная кислота (E330) производится в массовом масштабе посредством погруженной ферментации Aspergillus niger на мелассах или гидролизатах крахмала. Она хелатирует ионы металлов, предотвращая окислительную прогорклость, и работает синергетически с антиоксидантами, такими как аскорбиновая кислота. Эта хелатирующая способность также повышает эффективность других консервантов, позволяя снизить общий уровень использования.

Бактериоцины: целевые антимикробные пептиды

Бактериоцины представляют собой рибосомно синтезированные пептиды, которые ингибируют или убивают близкородственные бактерии. Низин (E234), продуцируемый Lactococcus lactis, является наиболее коммерчески важным. Он разрушает цитоплазматическую мембрану грамположительных бактерий путем связывания с липидом II, предшественником в синтезе клеточной стенки. Низин одобрен в более чем 60 странах для использования в сыре, консервированных овощах, жидких яйцах и обработанном мясе. Его эффективность против Listeria monocytogenes сделала его основным продуктом в охлажденных готовых к употреблению продуктах. FDA США утверждает низин как GRAS в соответствии с 21 CFR 184.1538 для конкретных применений.

Натамицин (E235), полиеновый макролид из Streptomyces natalensis, необратимо связывается с эргостеролом в мембранах грибковых клеток, предотвращая рост плесени без воздействия на бактериальную ферментацию. Он применяется в качестве поверхностной обработки на сыре и сушеных колбасах. Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам (JECFA) установил приемлемое ежедневное потребление 0,3 мг/кг массы тела на основе тщательных токсикологических исследований (JECFA, 2009).

Микробные ферменты как процессинговая СПИД

Ферментация также поставляет ферменты, которые функционируют как естественные консерванты через косвенные механизмы. Глюкоза оксидаза потребляет кислород в упакованных продуктах, замедляя окисление и ухудшение цвета. Каталаза разрушает перекись водорода, защищая деликатные ароматы. Лизоцим, полученный из яичных белков, но также производимый путем ферментации Trichoderma reesei , лизает клеточные стенки грамположительных бактерий порчи. Эти ферменты объявлены «ферментами» или «естественными ферментами» в списках ингредиентов, апеллируя к чистым маркированным формулаторам.

Экономические и экологические преимущества ферментационных консервантов

Помимо маркетинга на основе чистых этикеток, консерванты на основе ферментации предлагают ощутимые преимущества перед синтетическими альтернативами. Экологический след является основным дифференциатором. Производство молочной кислоты путем ферментации использует возобновляемую биомассу - часто побочные продукты сельского хозяйства или переработки молочных продуктов - и генерирует меньше выбросов парниковых газов, чем нефтехимические маршруты. Оценки жизненного цикла показывают, что лимонная кислота на основе ферментации имеет углеродный след примерно на 30% ниже, чем у эквивалентов синтетического производства, поскольку она избегает энергоемких шагов сокращения и нефтяного сырья.

Устойчивость цепочек поставок также улучшается. Ферментационные установки могут быть размещены на региональном уровне с использованием местного сырья, такого как кукурузный крутой ликер, пшеничные отруби или кислотная сыворотка, изолируя производителей продуктов питания от волатильности цен на импортные синтетические химикаты. В период сбоев в цепочке поставок в 2021-2023 годах крупные продовольственные компании сообщили, что их зависимость от отечественных консервантов на основе ферментации предотвратила остановки производства, которые повлияли на конкурентов, зависящих от импортных бензоатов и сорбатов.

Органолептические преимущества являются дополнительным экономическим преимуществом. Культурная декстроза и ферментированный уксус способствуют фоновым ароматизаторам, которые улучшают общий вкус продукта, тогда как некоторые синтетические консерванты, такие как сорбат калия, могут придавать горькие или металлические отметины в эффективных концентрациях. В таких продуктах, как салатные заправки, супы с пониженной солей и мясо на растительной основе, способность сочетать сохранение с улучшенным вкусом позволяет составителям оправдать ценовую премию.

Промышленный масштаб и контроль качества

Перевод традиционной ферментации в воспроизводимые промышленные процессы требует строгого контроля над биологическими переменными. Стартерные культуры - будь то отдельные штаммы или определенные смеси - распространяются в стерильных средах в условиях надлежащей производственной практики (GMP), чтобы избежать загрязнения фагов и генетического дрейфа. Производственные ферментаторы варьируются от 1000-литровых семенных резервуаров до 200 000-литровых сосудов, все контролируются датчиками pH, температуры, растворенного кислорода и скорости подачи субстрата.

Обработка в нисходящем потоке варьируется в зависимости от целевого соединения. Молочная кислота восстанавливается путем осадков с гидроксидом кальция с последующим подкислением и фильтрацией, что дает продукт пищевого класса с чистотой > 95%. Низин концентрируется из культурального супернатанта с использованием ультрафильтрации, затем распыляется на носитель, такой как соль или декстроза. Каждая партия должна соответствовать спецификациям потенции, чистоты и отсутствия загрязняющих веществ. Промышленность приняла рамки анализа рисков и критических контрольных точек (HACCP), проверенные сторонними аудитами для обеспечения согласованности - необходимость для производителей продуктов питания, которые полагаются на точную дозу консервантов для удовлетворения гарантий срока хранения.

Регуляторные пути и безопасность

В Соединенных Штатах FDA рассматривает эти вещества в рамках процесса уведомления о безопасности (GRAS) или в качестве пищевых добавок. Многие органические кислоты и бактериоцины достигли статуса GRAS на основе истории безопасного использования и опубликованных токсикологических данных. Например, низин был подтвержден как GRAS в 1988 году для использования в сыре и консервированных овощах; в списке в соответствии с 21 CFR 184.1538 указан максимальный уровень.

Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) переоценило общие добавки, полученные из ферментации. Было обнаружено, что молочная кислота (E270), уксусная кислота (E260), и их соли не представляют никакой проблемы безопасности на текущих уровнях использования, без установленного приемлемого ежедневного потребления. Натамицин был переоценен в 2009 году, подтвердив ADI 0,3 мг / кг массы тела. Комитет Кодекса Алиментариус по пищевым добавкам продолжает оценивать новые соединения, полученные из ферментации, в рамках анализа риска, поддерживая международную гармонизацию. Для новых ингредиентов, произведенных посредством точной ферментации, может потребоваться дополнительное предварительное одобрение на рынке в соответствии с европейскими новыми правилами питания и петициями FDA о пищевых добавках.

Тематические исследования: ферментированные консерванты в действии

Мясо Clean-Label Deli

Обработанное мясо долгое время полагалось на синтетические нитриты и сорбаты для цвета и срока годности. Сегодня многие крупные бренды используют комбинацию культивированного сок сельдерея (источник натурального нитрита) и поверхностное применение низина или защитных культур. Результатом является продукт, который отвечает требованию «без искусственных консервантов» при сохранении безопасности против Листерия . Один ведущий производитель сообщил, что переформулирование его линии жареной говядины с ферментированным порошком сельдерея и культивированной декстрозой уменьшило натрий на 15% и устранило сорбат калия, но срок хранения в холодильнике остался на 90 дней.

Альтернативы растительного мяса

Бургеры и колбасы на основе растений с высокой влажностью особенно подвержены микробной порче из-за их почти нейтрального рН и высокой активности воды. Производители теперь включают комбинацию уксуса (уксусной кислоты), культивируемой декстрозы и защитных культур, таких как Lactobacillus sakei . Культуры производят молочную кислоту постепенно во время хранения, поддерживая рН ниже 5,5 и подавляя Pseudomonas и Listeria . Исследование 2023 года показало, что система защитной культуры продлила срок хранения растительных пятен от 10 до 21 дня без искусственных консервантов.

Сохранение молочных продуктов

В молочной промышленности низин широко используется для предотвращения порчи в обработанном сыре и йогурте. Например, низин, добавленный на уровнях 250-500 МЕ/г, эффективно ингибирует споры Clostridium в распространении сыра, что позволяет уменьшить фосфаты и поддерживать чистую этикетку. В йогурте антимикробные препараты, полученные при ферментации, могут задерживать рост плесени, не влияя на жизнеспособность стартеров. Некоторые производители теперь используют комбинацию низина и натамицина на поверхности сыра для удвоения защиты от бактериальной и грибковой порчи.

Приложения для пекарни

Ферментированные закваски по своей сути сохраняют хлеб через уксусные и молочные кислоты. Для коммерческого хлеба, который не может использовать живую закваску из-за ограничений объема, пекарни обращаются к ферментированной пшеничной муке или культивированной декстрозе. Эти ингредиенты обеспечивают те же свойства, препятствующие образованию плесени, что и пропионат кальция, но позволяют маркировать «без искусственных консервантов». Одна европейская сеть пекарни перешла на ферментированную пшеничную муку в ее цельнозерновых хлебах и сообщила о 45%-м сокращении роста плесени в течение 14-дневного срока хранения, что соответствует синтетической альтернативе.

Текущие ограничения и текущие проблемы

Несмотря на эти успехи, ферментационные консерванты имеют ограничения, которые ограничивают универсальное принятие. Многие бактериоцины, включая низин, имеют узкий спектр активности, в первую очередь затрагивая грамположительные организмы. Контроль грамотрицательных патогенов, таких как E. coli или Pseudomonas часто требует объединения бактериоцина с хелатирующими агентами (например, EDTA) или дополнительных препятствий, таких как снижение рН или модифицированная атмосферная упаковка. Это добавляет сложность и может противоречить целям чистого мечения, если хелатирующий агент считается синтетическим.

Стоимость остается значительным барьером. Ферментация и очистка низина или натамицина стоят дороже, чем прямой химический синтез бензоатов или сорбатов. Для сырьевых продуктов с низкой маржой прибыли ценовая премия вариантов, полученных при ферментации, может быть непомерно высокой. Однако по мере развития технологии ферментации, особенно с недорогим сырьем и улучшенной обработкой ниже по течению, разрыв в стоимости сокращается. Анализ 2024 года показал, что прецизионная ферментация может снизить стоимость производства бактериоцина на 40% в течение пяти лет.

Последовательность в сложных матрицах пищевых продуктов также создает проблемы. Изменения в сырье, такие как различные партии молока или муки, могут влиять на производство органических кислот или бактериоцинов на месте защитными культурами. Производители продуктов питания должны инвестировать в надежные модели тестирования и прогнозной микробиологии, чтобы гарантировать, что каждый производственный цикл соответствует целям безопасности.

Будущие горизонты: прецизионная ферментация и дизайнерские консерванты

Следующая волна инноваций обусловлена точной ферментацией, где микроорганизмы генетически спроектированы для получения высоких выходов специфических функциональных молекул. Дрожжевые штаммы, такие как Yarrowia lipolytica и Komagataella phaffii , в настоящее время используются для производства органических кислот пищевого класса, ферментов и даже новых бактериоцинов, не встречающихся в природе. Статья 2023 года в Nature Biotechnology продемонстрировала, что инженерная Yarrowia может производить молочную кислоту при титрах, превышающих 200 г/л, что делает ее экономически конкурентоспособной с нефтехимическими маршрутами.