Люди во всем мире наслаждаются шоколадом уже более 5000 лет и нетрудно понять почему.
От карамельных оттенков до фруктовых ноток и легкой горчинки - вкусы этого изысканного деликатеса столь же сложны, сколь и неотразимы. Но задумывались ли вы когда-нибудь как шоколад получает такой вкус? Секрет кроется в маленьких "работниках" природы: микробах.
Производство шоколада начинается с ферментации какао-бобов, которая происходит в деревянных ферментационных камерах, где обитают естественные микробы, включая дрожжи, молочнокислые бактерии (LAB) и уксуснокислые бактерии (AAB). Эти микробы влияют на вкус благодаря образованию различных метаболитов и других побочных продуктов в процессе ферментации. Ученым и кулинарным экспертам по-прежнему интересно, как изменения в микробном составе влияют на формирование уникальных вкусовых качеств шоколада.
В первые несколько часов после сбора какао-бобы и мякоть плотно упаковываются в емкости для ферментации. Густая сахаристая мякоть заполняет все промежутки между зернами и создает анаэробную среду, богатую лимонной кислотой, но лишенную кислорода. Это побуждает дрожжи активно потреблять сахара, содержащиеся в мякоти, и анаэробно сбраживать их до получения этанола. Ферментация этанолом вызывает сдвиг в микробном сообществе, известный как микробная сукцессия. LAB, которые переносят низкий уровень рН и высокие уровни содержания этанола, вытесняют грибки и превращают лимонную кислоту в молочную. Затем фермеры переворачивают какао-бобы каждые 24-48 часов, чтобы обеспечить поступление кислорода, что позволяет AAB аэробно превращать этанол в уксусную кислоту.
Когда дрожжи и бактерии расщепляют сахара и кислоты, содержащиеся в мякоти какао, они выделяют низкомолекулярные метаболиты, летучие соединения, например, пиразины, альдегиды и сложные эфиры. Эти соединения способствуют усложнению вкуса шоколада, придавая ему фруктовый вкус, кислинку и глубину аромата. Специфические нотки зависят от соотношения различных микробов, присутствующих в исходном материале и конечных продуктов ферментации. Например, аминотрансферазы синтезируют ароматические прекурсоры, такие как пиразины, l-аспартат-4-карбоксилиаза продуцирует прекурсоры сладкого и пикантного вкуса, а этаноламинаммонийлиаза выделяет фруктовые летучие вещества, такие как ацетальдегид.
Именно в этот момент в игру вступает специфика микроорганизмов. Каждый вид по-разному участвует в процессе ферментации, влияя на выработку определенных летучих соединений. Например, Pichia kluyveri связана с производством ацетоина (сливочного оттенка), этилбензоата и этилдодеканоата (цветочного оттенка), этилоктаноата (абрикосового оттенка), 2-пентанона (фруктового оттенка) и фенилацетальдегида (цветочного и медового оттенков). С другой стороны, Pichia kudriavzevii ассоциируется с образованием таких соединений, как бензальдегид (горький или миндальный вкус), 2,3-бутандиол (сливочный вкус), этилацетат и 2-нонанон (фруктовый), 3-метилбутаналь (шоколадный), 3-метил-1-бутанол (солодовый) и 2-метил-1-бутанол (винный оттенок). При совместном культивировании P.kluyveri с Saccharomyces cerevisiae шоколад получается менее кислым и более сладким, чем при спонтанном брожении.
Различные сорта какао содержат разное количество сахаров, кислот и других метаболитов в мякоти. Эти химические составы играют ключевую роль в воздействии на активность бактерий и грибков во время ферментации, а также в колебаниях температуры и pH на протяжении всего процесса ферментации. Каждый вид микроорганизмов процветает в определенном температурном диапазоне, который непосредственно влияет на выработку летучих соединений, а изменения рН, обусловленные различными микробными сообществами на различных стадиях метаболизма мякоти, формируют химическую среду, которая в дальнейшем влияет на вкус.
Эта информация важна для исследователей, которые заинтересованы в избирательном формировании вкусовых характеристик шоколада. Контролируя вышеуказанные параметры и создавая синтетический инокуляционный материал, который выполняет львиную долю работы, производители шоколада могут обеспечить более предсказуемые результаты ферментации, сохраняя при этом отличительные ароматы, которые делают сорта шоколада со всего мира такими особенными. Они также могут обеспечить более стабильную урожайность и контроль качества, сводя к минимуму колебания окружающей среды, изменчивость микробного состава и конкуренцию между микроорганизмами.
Основываясь на этом понимании, исследователи предприняли инновационный шаг к созданию синтетического микробного сообщества, которое последовательно воспроизводило вкусовые характеристики образцов шоколада с колумбийских ферм. Поскольку известно, что температура и pH определяют ход ферментации, группа ученых отслеживала такие факторы, как температура и pH, во время естественного брожения какао-бобов в Колумбии в течение 2 вегетационных периодов. Они выбрали несколько ферм, чтобы оценить влияние абиотических и биотических факторов на формирование вкуса шоколада и позаботились о том, чтобы сорта какао с каждой фермы имели сходную генетическую основу, для того чтобы различия во вкусе можно было объяснить микробиологическим инокулятом, факторами окружающей среды и обработки, а не специфическими свойствами различных генотипов какао.
Затем исследователи охарактеризовали бактерии и грибки, участвующие в процессе ферментации, и выяснили, связаны ли изменения в составе микробиоты на протяжении всего процесса со вкусовыми качествами шоколада. После этого они приступили к разработке собственных ферментационных добавок, которые можно было бы использовать для инициирования и контроля ферментации какао-бобов. При разработке ферментационных заквасок исследователи изучили, может ли уменьшенный микробный консорциум, определяемый ключевыми таксономическими и метаболическими особенностями, которые наблюдались в натуральных образцах, воспроизводить желаемые вкусовые качества.
Изучив гены и функции микробов, участвующих в ферментации, ученые обнаружили, что активность микроорганизмов во время ферментации в Сантандере и Уиле — колумбийских регионах, известных своим прекрасным шоколадом, — сходна. Эти закономерности отличались от таковых в регионе Антиокия, где какао имело более простой и горький вкус. Проанализировав специфические ферменты, которые были задействованы в этом процессе, исследователи определили несколько ключевых соединений, которые играют важную роль в создании ароматов, ассоциирующихся с высококачественным шоколадом. К ним относятся ферменты, которые помогают вырабатывать предшественники аромата (такие как пиразины, придающие аромат жареного мяса) и фруктовые соединения (такие как ацетальдегид, придающий фруктовые нотки).
Исследователи также обнаружили, что многие микробы выполняют дублирующие друг друга функции, что позволило им выделить 10 ключевых родов, которые в совокупности охватывают почти все основные пути формирования вкуса. Девять культивируемых штаммов (5 бактерий и 4 грибка), которые были выделены индивидуально для определенного синтетического сообщества, сохранили приблизительно 95% метаболического потенциала 10 родов. В этой группе бактерии принадлежали к родам Lactiplantibacillus, Cytobacillus, Bacillus и Acetobacter, в то время как представители грибков включали Torulaspora, Pichia, Saccharomyces и Hanseniaspora. Какао-бобы, обработанные вышеуказанным синтетическим микробным сообществом, показали аналогичные изменения рН в мякоти, наблюдаемые при естественной ферментации.
Затем пришло время протестировать вкусовые качества конечного продукта. Вкусовые характеристики шоколада оцениваются с помощью структурированного сенсорного процесса, в ходе которого эксперты пробуют шоколад или тертое какао при контролируемой температуре (~60°C), применяют стандартные вкусовые характеристики и оценивают интенсивность вкуса по числовой шкале, обычно от 0 до 10. Для обеспечения согласованности сравнений в состав экспертных групп часто включаются эталонные образцы какао различного происхождения в качестве стандартных показателей. В ходе этого исследования квалифицированная дегустационная комиссия действительно подтвердила, что шоколад из бобов, ферментированных с использованием синтетических микроорганизмов, имеют вкусовые нотки, характерные для высококачественного шоколада из Сантандера, Уилы и Мадагаскара.
Исследования, подобные этому, заложили основу для появления современной шоколадной промышленности, сравнимой с производством пива и сыра, где контролируемая ферментация осуществляется с помощью определенных микробиологических заквасочных культур. Важно отметить, что это позволяет объединить традиционные методы ферментации какао с современной микробиологической и геномной наукой, соединяя многовековые эмпирические знания с глубоким пониманием микробиологии.
