Хлеб играет важнейшую роль в человеческих цивилизациях и культурах на протяжении как минимум 14 000 лет.
До конца 1800-х годов большая часть хлеба производилась на закваске, содержащей множество бактерий и дрожжей различного происхождения, но со схожими благоприятными признаками. С появлением коммерческих пекарских дрожжей производство теста сократилось, но пекари все больше интересуются микробной экологией, способствующей традиционной практике приготовления хлеба. На кухне и дома пекари и потребители ценят хлеб на закваске как ремесленный, пребиотический, с низким гликемическим индексом продукт. Еще до дефицита коммерческих дрожжей во время пандемии COVID-19 приготовление закваски без использования коммерческих дрожжей стало набирать популярность среди ремесленников, домашних пекарей и крупных производителей коммерческого заквасочного хлеба.
В лабораторных условиях закваска представляет собой простую и доступную систему для изучения экологических вопросов, а также интересный практический инструмент для обучения студентов. В экологии идеальные модельные системы, как правило, имеют относительно низкое разнообразие (десятки или сотни видов, а не тысячи), легко поддаются манипулированию и позволяют проводить детальные эксперименты на конкретных видах. При обучении модельные системы должны быть достижимы с помощью дешевых и легкодоступных материалов, иметь отношение к повседневной жизни учащихся и соответствовать (или быть совместимыми) с региональными образовательными стандартами.
Закваски для теста соответствуют всем этим критериям, однако большинство лабораторных исследований заквасок на сегодняшний день не отражают и не соотносятся с широко распространенной практикой кустарного или домашнего хлебопечения. В данной работе мы исследуем потенциал закваски как модельной экологической системы и модельной образовательной системы, изучая классическое экологическое явление - сукцессию (последовательная смена видов после нарушения среды), в нашем случае - смесь муки и воды.
Каноническая закваска внешне очень проста. Смешиваются одинаковые пропорции муки и воды, и смесь колонизируется микробами окружающей среды, емкость для хранения и место, где хранится закваска, являются потенциальными источниками микробов закваски, а посуда для смешивания и руки пекаря способствуют рассредоточению микроорганизмов. Эти микробы метаболизируют доступные питательные вещества (особенно сахара) для получения различных продуктов брожения, что способствует дополнительным изменениям в структуре сообщества, проходящим три известные фазы.
На первом этапе бактерии в муке метаболизируют сахара с образованием молочной кислоты, которая снижает pH закваски ниже допустимого для большинства пищевых микроорганизмов, но благоприятствует росту молочнокислых бактерий (МКБ), например, Lactobacillus, Pediococcus, Weissella, и кислотоустойчивых дрожжей, которые метаболизируют сахара с образованием углекислого газа и ароматических соединений.
Во время второй конкурентной фазы закваски МКБ увеличивают свою численность и продуцируют аллелопатические метаболиты, которые способствуют длительной устойчивости заквасок в третьей фазе. Например, МКБ и дрожжи препятствуют дальнейшей колонизации, вырабатывая кислоты и углекислый газ (что не нравится облигатным анаэробам), соответственно, а также спирты, альдегиды и другие летучие органические соединения. Эти продукты жизнедеятельности микроорганизмов и придают хлебу необходимые качества: кислоты придают ему пикантный вкус, влияют на текстуру и увеличивают срок хранения, углекислый газ способствует подъему теста, а ароматические соединения усиливают вкусовую гамму.
МКБ, и в частности род Lactobacillus, особенно известны своим вкладом в развитие вкуса за счет выработки молочной и уксусной кислоты, протеолиза и производства ароматических соединений. Во многих отношениях микробные изменения, происходящие в заквасках, представляют собой лабораторную (или кухонную) модель сукцессионной динамики, подобной той, которая наблюдается в прудах, старых полях и других местах обитания.
В последнее десятилетие исследователи отмечают, что трехфазный процесс сукцессии закваски протекает одинаково в пшеничной и непшеничной муке, но в разные сроки. Поэтому смена видов бактерий и ее последствия для различных злаков, скорее всего, будут отличаться от нашего представления о "стандартном случае". Безглютеновые злаки широко используются в продуктах спонтанного молочнокислого брожения, но не находят широкого применения в заквасках, хотя пекари заинтересованы в потенциальном применении этих безглютеновых злаков для получения заквасок.
С точки зрения пекарей, закваски достигают "зрелой" кульминации, когда pH и подъем теста стабилизируются и закваску можно надежно использовать для приготовления хлеба через 7-14 дней. Если мы сможем понять, как тип муки влияет на сукцессию в закваске, работая при этом в условиях учебного класса, мы сможем расширить наши экологические представления о сукцессии микроорганизмов, создать основу, с помощью которой преподаватели и студенты смогут в будущем вносить дополнительные идеи, а также дать рекомендации пекарям о том, когда закваска, выращенная из определенного типа муки, достигает конечного сукцессионного состояния и готова к использованию.
Для достижения этих междисциплинарных целей исследователи из Государственного университета Северной Каролины совместно с учителями средней школы изучили процесс спонтанной сукцессии заквасок, выращенных из 10 различных сортов муки. В частности, мы оценивали влияние типа муки на структуру бактериального сообщества (охарактеризованную с помощью секвенирования следующего поколения), производительность закваски (т.е. производство кислот, CO2 и ароматических соединений) и количество дней, потребовавшихся закваске для достижения зрелости (т.е. производительность и состав, характерные для сообщества, которые непосредственно влияют на характеристики хлеба).
Gänzle & Ripari (2016) недавно предположили, что процессы рассеивания непропорционально важны для молодых заквасок, в то время как процессы, базирующиеся на нише, более важны для более старых, неоднократно подвергавшихся обратной пересадке заквасок. Если это так, то мы ожидаем обнаружить высокую вариабельность среди заквасок раннего сукцессионного возраста (<7 дней), которая не связана с типом муки. И наоборот, мы прогнозировали, что процессы, основанные на нише, в зрелых заквасках (возраст которых превышает 7 дней) могут проявляться в двух формах.
Во-первых, мы предполагали, что закваски, приготовленные из разных видов муки, будут предсказуемо отличаться друг от друга по мере созревания в период от 0 до 14 дней, что отражает специфику бактериальных таксонов, способных лучше всего конкурировать за различные ресурсы, содержащиеся в каждой муке. Во-вторых, мы предполагали, что метаболиты, продуцируемые бактериями, присутствующими в заквасках на разных сукцессионных стадиях, приведут к предсказуемым изменениям как в среде закваски, так и в структуре сообщества, отражая более древние различия ниш между таксонами бактерий (например, способность производить или переносить кислоты). Наконец, мы предполагали, что различия в сообществах на протяжении сукцессии должны проявляться в функциональных различиях между заквасками, в частности в их ароматах.
В совокупности наши результаты подтвердили, что бактериальные сообщества в заквасках следуют предсказуемым закономерностям сукцессии, обусловленным доступностью ресурсов и относительной широтой ниши с течением времени. Изменения в составе сообществ совпадают с изменениями pH, а также высоты подъема теста и аромата, что дает практическое подтверждение общепринятой практике выпечки (т.е. "правилу 10 дней").
Однако, несмотря на то, что общие закономерности преемственности сохраняются для всех заквасок, состав бактериального сообщества и ароматы в зрелых заквасках существенно различаются в зависимости от типа муки и, вероятно, определяются специфическими для зерна бактериальными и питательными компонентами, что позволяет предположить, что пекари (как и пивовары) могут манипулировать исходными материалами для получения специфических характеристик хлеба. В связи с этим мы призываем к более тщательному изучению сенсорных свойств заквасок, полученных из различных видов муки, и хлеба, выпеченного на этих заквасках. Сравнение ароматов, определяемых обученной группой специалистов, и широкой публикой (например, домашними пекарями) было бы особенно полезно для подтверждения результатов кустарных исследований и других широких приложений.
Зафиксированные нами широкие сукцессионные закономерности, а также различия между сообществами закваски, характерные для каждого вида муки, потенциально очень полезны для пекарей. Например, мы зафиксировали самый низкий уровень pH в заквасках сорго, теффа и проса, что указывает на то, что из них получаются наиболее терпкие/кислые хлеба, в то время как закваски гречихи или индюшиной пшеницы имеют менее кислый вкус, а закваски амаранта могут придать хлебу уникальные мясные, кисломолочные и поджаристые ароматы.
Что касается потенциальной разрыхлительной способности, то наибольшего подъема теста достигли закваски из ржи, эммера и проса, в то время как гречневая и эйнкорн, возможно, лучше подходят для более плоской выпечки. Что касается "правила 10 дней", то закваски из теффа, амаранта, сорго, гречихи, проса и эйнкорна достигли пика высоты на 10-й день, а закваски, выращенные из ржи, эммера и проса, достигли высоты только на 14-й день. Полученные нами результаты позволяют пекарям знать относительное время, необходимое для создания зрелой закваски в зависимости от типа муки, а также прогнозировать, какой тип муки может быть использован для благоприятного развития тех или иных микроорганизмов или ароматов. Выявить эти закономерности удалось при работе с материалами, легкодоступными для преподавателей и пекарей.
