Table of Contents

Биологические основы ферментации

Ферментация представляет собой один из старейших биотехнологических процессов, используемых людьми, но его базовый биологический механизм удивительно сложен. По своей сути ферментация представляет собой анаэробный метаболический путь, по которому микроорганизмы извлекают энергию из органических субстратов, в первую очередь углеводов, не используя кислород в качестве конечного акцептора электронов. Этот процесс позволяет микробам выживать и размножаться в средах, истощенных кислородом, при этом производя разнообразный набор метаболических побочных продуктов, которые имеют глубокие последствия для сохранения пищи, развития вкуса и улучшения питания.

Эволюционные истоки ферментации предшествовали появлению кислородного фотосинтеза на миллиарды лет. Ранние анаэробные организмы разработали эти пути как средство генерации энергии в первичной атмосфере Земли’s с дефицитом кислорода. Сегодня ферментация остается краеугольным камнем микробного метаболизма и критическим инструментом в кустарном и промышленном производстве продуктов питания во всем мире.

Анаэробное дыхание и производство энергии

Для понимания ферментации с научной точки зрения необходимо сначала усвоить концепцию клеточной энергетической трансдукции. Все живые клетки требуют аденозинтрифосфата (АТФ) для питания метаболических реакций. В аэробном дыхании клетки полностью окисляют глюкозу до углекислого газа и воды через цикл Кребса и окислительное фосфорилирование, выдавая примерно 36-38 молекул АТФ на молекулу глюкозы. Ферментация, напротив, обходит цикл Кребса и транспортную цепь электронов, генерируя только 2 АТФ на глюкозу через фосфорилирование на уровне субстрата.

Хотя это кажется неэффективным с энергетической точки зрения, ферментация дает критическое преимущество: она не требует кислорода. Это позволяет микроорганизмам колонизировать экологические ниши, где кислород дефицитен или отсутствует, например, глубоко внутри растительных тканей, внутри пищеварительных трактов животных или погружен в рассолы и жидкости. Компромисс между выходом энергии и универсальностью окружающей среды сформировал эволюцию бесчисленных видов микробов и, в более широком смысле, ферментированных продуктов, которые люди культивировали в разных цивилизациях.

Ключевые метаболические пути в ферментации

Специфический биохимический путь, используемый во время ферментации, зависит от микроорганизма и условий окружающей среды. Все пути ферментации имеют общую начальную фазу: гликолиз, превращение глюкозы в пируват. С этой точки ветви различные организмы отводят пируват в различные конечные продукты.

При алкогольной ферментации пируват подвергается декарбоксилированию до ацетальдегида, который затем сводится к этанолу спиртовой дегидрогеназой, регенерируя NAD+ в процессе. Эта регенерация NAD+ необходима для поддержания гликолитического потока, так как NAD+ является необходимым кофактором для фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. Без этого этапа рециркуляции гликолиз прекратился бы и производство АТФ прекратилось бы.

Ферментация молочнокислой кислоты использует лактатдегидрогеназу для непосредственного уменьшения пирувата до лактата, одновременно окисляя NADH обратно в NAD +. Этот более простой путь включает только один ферментативный шаг и используется бактериями в родах Lactobacillus , Streptococcus и Leuconostoc , а также клетками мышц человека во время напряженных упражнений, когда доставка кислорода становится ограниченной.

Ферментация уксусной кислоты, часто происходящая в качестве вторичной ферментации, включает в себя окисление этанола до уксусной кислоты бактериями, такими как Acetobacter и Gluconobacter . В отличие от ферментации алкогольной и молочной кислот, этот процесс является аэробным, требующим молекулярного кислорода в качестве терминального акцептора электронов. Это различие важно для понимания того, почему производство уксуса требует воздействия воздуха.

Основные виды ферментации и их продукты

Хотя существуют сотни специфических процессов ферментации, их можно разделить на несколько основных типов на основе первичных продуктов метаболизма и ответственных микроорганизмов.Каждый тип дает различные органолептические свойства, характеристики сохранения и питательные профили в готовых продуктах.

Алкогольная ферментация

Алкогольная ферментация в основном обусловлена дрожжами, в частности Saccharomyces cerevisiae, который превращает сахара в этанол и углекислый газ. Этот процесс образует основу для производства пива, вина, спиртов и бросового хлеба. Диоксид углерода, образующийся во время ферментации хлеба, создает газовые пузырьки, которые попадают в ловушку в сети глютена, заставляя тесто подниматься и развивать характерную структуру воздушной крошки при выпечке. В производстве напитков содержание этанола способствует как сохранению, так и опьяняющему эффекту, в то время как мириады вторичных метаболитов, производимых во время ферментации, включая более высокие спирты, эфиры и органические кислоты, формируют сенсорный профиль готового продукта.

Конкретные условия, при которых происходит алкогольная ферментация, значительно влияют на результат. Температура, рН, концентрация сахара, выбор штамма дрожжей и доступность питательных веществ - все модулируют дрожжевой метаболизм и полученный в результате летучий профиль соединения. Например, дрожжи лагера (]Saccharomyces pastorianus ) ферментируются при более низких температурах, чем элевые дрожжи, производя более чистые вкусовые профили с меньшим количеством эфиров, в то время как винные дрожжи выбираются за их способность ферментировать высокие концентрации сахара до высоких концентраций этанола.

Молочная кислотная ферментация

Ферментация молочнокислых кислот является одной из наиболее распространенных и исторически значимых технологий сохранения пищи.Гомоферментативные молочнокислые бактерии, такие как Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus, превращают сахара почти исключительно в молочную кислоту, в то время как гетерогенные виды, включая Leuconostoc mesenteroides, производят молочную кислоту, этанол, уксусную кислоту и углекислый газ в различных пропорциях.

Накопление молочной кислоты снижает рН субстрата, как правило, до 3,5-4,5, создавая среду, которая ингибирует рост порчи организмов и патогенных бактерий.Это подкисление также денатурирует белки, изменяет текстуру и придает характерный танги-вкус, связанный с йогуртом, квашеной капустой, кимчи, соленьями и многими традиционными ферментированными продуктами в разных культурах.

При молочном ферментировании выработка молочной кислоты заставляет белки казеина коагулировать, образуя гельную структуру йогурта и творога при производстве сыра. Используемые специфические бактериальные штаммы наряду с температурой и продолжительностью ферментации определяют конечную текстуру, кислотность и вкус культивируемого молочного продукта. Например, текстура ропия скандинавского пленёлка является результатом производства экзополизахаридов специфическими штаммами Lactococcus lactis.

Ацетическая кислотная ферментация

Ферментация уксусной кислоты представляет собой двухэтапный процесс, в котором этанол, вырабатываемый дрожжевой ферментацией, впоследствии окисляется до уксусной кислоты бактериями уксусной кислоты. Этот процесс отвечает за производство уксуса и происходит естественным образом, когда алкогольные напитки подвергаются воздействию воздуха. Бактерии образуют тонкую биопленку, называемую «матерью уксуса» на жидкой поверхности, где они получают доступ к атмосферному кислороду для управления реакцией окисления.

Различные сорта уксуса происходят из разных исходных материалов: сидровый уксус из яблочного сока, винный уксус из винограда, рисовый уксус из ферментированного риса и солодовый уксус из пива.Остаточные ароматические соединения из исходного субстрата сохраняются в процессе ферментации, способствуя отличительному характеру каждого типа уксуса.Бальзамический уксус подвергается дополнительному процессу старения в деревянных бочках, где концентрация и сложные химические реакции дополнительно развивают его сладкий профиль.

Щелочная ферментация

Менее часто обсуждаемая, но культурно значимая щелочная ферментация включает расщепление белков на аминокислоты и аммиак, повышая pH субстрата. Этот процесс используется при производстве ферментированных соевых продуктов, таких как натто, где Bacillus subtilis производит ферменты, которые гидролизуют соевые белки и генерируют характерную липкую текстуру и острый аромат. Аналогичные щелочные ферментации используются при производстве душки в Китае и тхуа нао в Таиланде, а также при ферментации саранчи для производства иру в западноафриканской кухне.

Микробные рабочие лошадки ферментации

Разнообразие ферментированных продуктов отражает разнообразие микроорганизмов, которые приводят к этим преобразованиям. Понимание конкретных ролей и метаболических возможностей ключевых видов микроорганизмов дает представление о том, как процессы ферментации можно контролировать, оптимизировать и масштабировать.

Saccharomyces cerevisiae: Дрожжи выбора

Ни один микроорганизм не был более широко одомашнен и генетически охарактеризован, чем Saccharomyces cerevisiae, широко известный как пекарь’s или пивовар’s дрожжи. Этот одноклеточный гриб культивировался людьми в течение по крайней мере 8000 лет и подвергся значительной генетической адаптации к антропогенной среде. Современные штаммы демонстрируют замечательную специализацию, с винными штаммами, переносящими концентрации этанола выше 15%, сортами пива, производящими различные эфирные профили, и штаммами выпечки, генерирующими большие объемы углекислого газа для быстрого опорожнения теста.

Геном S. cerevisiae был первым эукариотическим геномом, который был полностью секвенирован, раскрывая приблизительно 6000 генов, многие из которых участвуют в транспортировке сахара, гликолизе и стрессовых реакциях.Эта генетическая тяготение сделала дрожжи модельным организмом для молекулярных исследований биологии и платформой для метаболической инженерии, где гены вводятся или модифицируются для производства новых соединений, таких как фармацевтические препараты, биотопливо и специальные химические вещества посредством ферментации.

Лактобациллы Виды: окисляющие электростанции

Род Lactobacillus охватывает более 200 видов молочнокислых бактерий, многие из которых являются неотъемлемой частью ферментации пищевых продуктов и здоровья человека. Эти грамположительные, неспорообразующие стержни являются кислотоустойчивыми и могут процветать в средах, которые ингибируют большинство других бактерий. Различные виды демонстрируют специфические экологические ниши и метаболические возможности: Lactobacillus bulgaricus имеет важное значение для производства йогурта, Lactobacillus plantarum доминирует в ферментации овощей, и Lactobacillus sakei адаптирован для ферментации мяса.

Недавние достижения в метагеномике показали, что традиционные ферментированные продукты содержат сложные микробные сообщества, а не отдельные виды. В культуре закваски, например, стабильные ассоциации между Lactobacillus sanfranciscensis и Saccharomyces cerevisiae образуют симбиотические экосистемы, где бактерии производят мальтозу и аминокислоты, которые поддерживают рост дрожжей, в то время как метаболиты дрожжей питают бактерии. Понимание этих микробных консорциумов имеет решающее значение для воспроизводимых результатов ферментации и контроля качества в кустарном производстве.

Ацетобактерия и Глюконобактер

Бактерии ацетобактерии, особенно Acetobacter aceti и Gluconobacter oxydans, являются облигатными аэробами, которые окисляют этанол до уксусной кислоты. Эти бактерии удивительно эффективны при этом превращении, при этом некоторые штаммы достигают почти количественных выходов. Их присутствие в алкогольных напитках, как правило, нежелательно с точки зрения качества, так как может произойти порча, но их контролируемое применение имеет важное значение для производства уксуса.

Метаболический путь включает две последовательные реакции: алкогольдегидрогеназа окисляет этанол до ацетальдегида, а альдегиддегидрогеназа далее окисляет ацетальдегид до уксусной кислоты.Оба фермента содержат пирролохинолин хинон (PQQ) в качестве протезной группы и расположены в бактериальном периплазматическом пространстве, что позволяет осуществлять прямую передачу электронов в цепь переноса электронов для генерации АТФ.

Аспергиллус и Кодзи Молдс

Филаментные грибы рода Aspergillus, в частности Aspergillus oryzae, незаменимы при брожении в Восточной Азии.Эти плесень выделяют мощные гидролитические ферменты, которые расщепляют крахмалы, белки и липиды в соевых бобах, рисе и ячмене на более простые субстраты, которые могут быть использованы последующими микробными культурами.Этот процесс, известный как брожение коджи, является основой для производства соевого соуса, саке, мисо и дубаньцзяна.

Aspergillus oryzae производит исключительно высокие уровни амилаз, протеаз и липаз.Культура коджи готовится путем прививки пропаренных зерен или соевых бобов спорами плесени и инкубации их в контролируемых условиях температуры и влажности в течение 48-72 часов. Полученную богатую ферментами массу затем комбинируют с рассолом или водой и подвергают вторичной ферментации с участием галотолерантных дрожжей и молочнокислых бактерий, что дает сложные вкусовые матрицы, характерные для этих ферментированных продуктов.

Ферментация в производстве продуктов питания во всех культурах

Применение принципов ферментации широко варьируется в кулинарных традициях, при этом каждая культура разрабатывает уникальные методы, адаптированные к местным ингредиентам, климатическим условиям и вкусовым предпочтениям. Это разнообразие представляет собой богатое хранилище эмпирических знаний, которые современная наука о еде продолжает исследовать и подтверждать.

Молочная ферментация и сыроварение

Ферментированные молочные продукты представляют собой одни из самых ранних попыток сохранения пищи и остаются основными продуктами питания во всем мире. Бродение молока молочнокислыми бактериями не только продлевает срок годности, но и делает лактозу более усвояемой для лиц с дефицитом лактазы, поскольку бактерии частично гидролизуют лактозу во время ферментации. Это одна из причин, по которой йогурт и сыр часто лучше переносят, чем свежее молоко, непереносимые лактозой популяции.

Производство сыра включает в себя сложную последовательность событий ферментации. Бактерии молочнокислых кислот сначала подкисляют молоко, вызывая коагуляцию казеина с добавлением реннета. Полученный творог затем прессуют, солят и выдерживают в условиях, которые способствуют росту поверхностных форм (]Penicillium camemberti в Камамбере), внутренних форм (]Penicillium roqueforti в синем сыре) или бактериальных культур созревания поверхности (]Brevibacterium linens в сырах с промытыми кожурами. Каждый шаг в этой последовательности тщательно контролируется для достижения желаемой текстуры, вкуса и внешнего вида.

Овощная ферментация и кимчи

Ферментация овощей зависит от местной микробиоты, присутствующей на свежих продуктах, особенно молочнокислых бактерий, связанных с поверхностями растений. Когда овощи погружены в рассол, развиваются анаэробные условия, способствующие росту галогенотолерантных молочнокислых бактерий при подавлении аэробных организмов порчи. Процесс динамичен, с различными видами бактерий, доминирующими на последовательных стадиях ферментации.

Кимчи, национальное блюдо Кореи, иллюстрирует сложность ферментации овощей. Препарат включает в себя засолку капусты напа и редиса дайкона, затем приправу чесноком, имбирем, перцем чили и джеотгалом (солеными морепродуктами). Начальная ферментация приводится в действие Leuconostoc mesenteroides , который производит углекислый газ, который создает анаэробные условия, за которыми следуют кислотоустойчивые лактобациллы, которые завершают подкисление. Конечный продукт содержит более тридцати различных видов бактерий и проявляет мощную антимикробную активность против нескольких патогенов пищевого происхождения, свойство, связанное как с органическими кислотами, так и с биологически активными пептидами, образующимися во время ферментации.

Ферментация зерна и хлеб из кислого сухаря

Кислый хлеб представляет собой спонтанную систему ферментации, в которой дикие дрожжи и молочнокислые бактерии сосуществуют в стабильном микробном сообществе, поддерживаемом периодическим кормлением. В отличие от коммерческого хлеба, приготовленного с использованием чистых пекарей & #8217;s дрожжей, кислый хлеб полагается на консорциум организмов, которые производят молочную и уксусную кислоты вместе с углекислым газом. Эти органические кислоты способствуют характерному тангированному вкусу, улучшают качества хранения хлеба, замедляя выдержку, и уменьшают гликемический ответ по сравнению с обычным хлебом.

Микробная экология закваски резко варьируется в зависимости от географического положения, типа муки и условий содержания. Исследование 500 закваски закваски со всего мира выявило более 70 различных видов бактерий и 20 видов дрожжей, хотя каждый закваска обычно содержит стабильное ядро из 2-4 доминирующих организмов. Это биоразнообразие способствует отличительному характеру региональных закваски хлеба и обеспечивает резервуар микробных генетических ресурсов для инноваций в пекарне.

Ферментация напитков и комбуча

Комбуча производится путем ферментации подслащенного чая с симбиотической культурой бактерий и дрожжей (SCOBY). Комплексное микробное сообщество, встроенное в биопленку целлюлозы, включает бактерии уксусной кислоты (]Acetobacter , Gluconacetobacter ), молочнокислые бактерии и различные виды дрожжей. Во время ферментации дрожжи гидролизуют сахарозу в глюкозу и фруктозу и превращают эти сахара в этанол, в то время как бактерии окисляют этанол в уксусную кислоту, а также производят глюконные и глюкуроновые кислоты.

Полученный напиток содержит разнообразный набор метаболитов, включая органические кислоты, витамины группы В, полифенолы и следовые количества этанола. Процесс ферментации также разлагает кофеин и превращает полифенолы чая в более биодоступные формы, потенциально изменяя биоактивность напитка’. Хотя многочисленные заявления о здоровье были сделаны для комбучи, строгие клинические данные остаются ограниченными, а преимущества для первичного здоровья, вероятно, вытекают из его низкого pH, который может поддерживать здоровье пищеварения, изменяя время транзита кишечника и микробный состав.

Влияние ферментированных продуктов на здоровье

Взаимосвязь между ферментированными продуктами и здоровьем человека выходит за рамки основного питания и охватывает влияние на физиологию пищеварения, иммунную функцию и метаболическую регуляцию. Эти эффекты возникают из-за нескольких механизмов, работающих одновременно.

Во-первых, ферментация уменьшает или устраняет антипитательные факторы, присутствующие в сырых продуктах. Фитиновая кислота, соединение для хранения фосфора, содержащееся в зернах и бобовых, хелатирует минералы, такие как железо, цинк и кальций, уменьшая их биодоступность. Ферменты фитазы, вырабатываемые во время ферментации, гидролизуют фитиновую кислоту, высвобождая связанные минералы для поглощения. Аналогично, ферментация разрушает лектины, ингибиторы трипсина и другие соединения, которые препятствуют перевариванию белка, процесс, особенно актуальный для ферментации бобовых в таких продуктах, как темпе и мисо.

Во-вторых, ферментация генерирует биоактивные пептиды с потенциальной физиологической активностью. Протеолитическая расщепление пищевых белков дает пептиды, которые могут ингибировать ангиотензинопреобразующий фермент (ACE), оказывать антиоксидантное действие, связывать минералы для усиленного поглощения или стимулировать активность иммунных клеток. Наиболее характерными примерами являются трипептиды Val-Pro-Pro и Ile-Pro-Pro, обнаруженные в ферментированных молочных продуктах, которые продемонстрировали эффекты снижения артериального давления в испытаниях на людях.

В-третьих, ферментированные продукты содержат живые микроорганизмы, которые временно колонизируют желудочно-кишечный тракт и взаимодействуют с микробиотой кишечника. В то время как жизнеспособность пробиотических бактерий значительно варьируется в коммерческих продуктах, потребление ферментированных продуктов было связано с увеличением количества полезных бифидобактерий и лактобактерий, снижением маркеров воспаления кишечника и улучшением симптомов у лиц с синдромом раздраженного кишечника и диареей, связанной с антибиотиками.

В-четвертых, органические кислоты, вырабатываемые при ферментации, в частности бутират, пропионат и ацетат, служат сигнальными молекулами, модулирующими метаболизм хозяина. Бутират, вырабатываемый некоторыми колоническими бактериями и присутствующий в некоторых ферментированных продуктах, действует как ингибитор гистондеацетилаз, влияя на экспрессию генов в эпителиальных клетках толстой кишки и иммунных клетках. Это соединение участвует в поддержании целостности кишечного барьера, снижении воспалительных реакций и защите от колоректального канцерогенеза в доклинических моделях.

В-пятых, ферментация может уменьшить или устранить токсичные или аллергенные соединения в пищевых продуктах. Правильное ферментирование маниокавы удаляет цианогенные гликозиды, делая эту основную пищу безопасной для потребления. Ферментация соевых бобов снижает иммунореактивность соевых белков, потенциально смягчая аллергические реакции. А ферментация крестоцветных овощей, как и в производстве квашеной капусты, сохраняет глюкозинолаты, способствуя их ферментативному превращению в биологически активные изотиоцианаты.

Современная промышленная ферментация и биотехнология

Современная наука о ферментации выходит далеко за рамки производства продуктов питания в промышленную биотехнологию, фармацевтическое производство и устойчивое развитие материалов. Для производства антибиотиков, вакцин, ферментов, органических кислот, биотоплива и биополимеров используются крупномасштабные ферментационные биореакторы емкостью более 100 000 литров. Принципы, регулирующие эти процессы, остаются теми же, что и те, которые работают в банке квашеной капусты, но масштаб, системы управления и генетическая оптимизация представляют собой десятилетия инженерных и биологических исследований.

Метаболическая инженерия позволила производить соединения, которые микроорганизмы не производят естественным образом в значительных количествах. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae были спроектированы для производства артемизиновой кислоты, предшественника противомалярийного препарата артемизинина, обеспечивая надежный запас этого критического лекарства, независимого от экстракции растений. Аналогичным образом, инженерные штаммы Escherichia coli в настоящее время производят 1,3-пропандиол, мономер, используемый в производстве устойчивых полимеров, в промышленном масштабе из возобновляемых исходных материалов.

Точная ферментация, новая парадигма, включает в себя использование генетически определенных микробных штаммов для производства конкретных белков, жиров и других пищевых компонентов. Эта технология используется для производства молочных белков, яичных белков и коллагена без животных, экспрессируя соответствующие гены в ферментационных хозяинах, таких как Trichoderma reesei или Pichia pastoris . Полученные продукты химически идентичны своим аналогам животного происхождения, но производятся без животноводства, предлагая потенциальные экологические и этические преимущества.

Научная литература по микробному метаболизму продолжает раскрывать новые ферментативные возможности и регуляторные механизмы, которые могут быть использованы для промышленного применения. Достижения в синтетической биологии, высокопроизводительный скрининг и вычислительное моделирование ускоряют развитие новых процессов ферментации для производства всего, от ароматических соединений до биоразлагаемых пластмасс.

Заключение

Ферментация представляет собой замечательное пересечение микробиологии, биохимии и человеческой культуры. То, что начиналось как эмпирический метод сохранения пищи, превратилось в сложную научную дисциплину, которая информирует современную биотехнологию, науку о питании и устойчивое производство. Микроорганизмы, ответственные за ферментацию, обладают метаболическими возможностями, которые намного превосходят человеческую инженерию, превращая простые субстраты в сложные смеси соединений, которые питают, сохраняют и радуют.

Понимание науки, лежащей в основе ферментации, позволяет более последовательно и качественно производить, будь то домашняя кухня или промышленное предприятие. Это также открывает двери для инноваций: разработка новых процессов ферментации для трансформации белков на растительной основе, создание микробных консорциумов, которые производят желаемые вкусовые профили, и инженерные микроорганизмы для синтеза высокоценных соединений из исходного сырья.

По мере развития этой области различие между традиционной и промышленной ферментацией продолжает размываться. Те же самые биохимические пути, которые позволили нашим предкам производить хлеб с закваской и маринованные овощи, в настоящее время применяются для решения проблем в области экологической устойчивости, продовольственной безопасности и здоровья человека. Для всех, кто интересуется наукой о продуктах питания, микробиологией или биотехнологией, ферментация предлагает уникальную доступную точку входа в понимание того, как микроорганизмы формируют наш мир. Продолжающиеся исследования микробных консорциумов и экология ферментации обещает дать понимание, которое будет продолжать трансформировать то, как мы производим и потребляем пищу в предстоящие десятилетия.